УСТРОЙСТВО АНКЕРНОГО УЧАСТКА ЦЕПНОЙ КОМПЕНСИРОВАННОЙ КОНТАКТНОЙ РЕССОРНОЙ ПОДВЕСКИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ Российский патент 2005 года по МПК B60M1/22 

Изобретение относится к области электрификации железных дорог, а точнее к устройству анкерного участка цепной контактной рессорной подвески железной дороги.

На электрифицированных железных дорогах движение поездов осуществляется с помощью электрической энергии, передаваемой от стационарных электростанций (тепловых, гидравлических, атомных и др.) к токоприемникам подвижных устройств (электроподвижного состава) через скользящий контакт, как правило, с помощью системы, включающей провода и конструкции, - контактной подвески. Основным видом подвесок, обеспечивающих высокие скорости движения поездов, являются цепные рессорные контактные подвески. Контактный провод (КП) такой подвески в пролете между опорами (точками подвеса) висит не свободно, а подвешен к дополнительному проводу - несущему тросу (НТ) на струнах, представляющих собой отрезки сталемедной (медной) проволоки определенной длины.

Для обеспечения бесперебойного токосъема необходимо, чтобы контакт между токоприемником и КП не прерывался, поэтому, чем меньше отклонений КП и НТ в вертикальной плоскости от проектной высоты по длине анкерного участка, тем стабильнее движение токоприемника и, соответственно, лучше качество токосъема. Указанное достигается конструкцией подвесок с компенсацией температурных изменений длины КП (полукомпенсированная подвеска) или НТ и КП (компенсированная подвеска) с помощью компенсаторов (см., например, книгу А.С.Маркова, Контактные сети, М., «Высшая школа», 1991 г., стр. 82, или Каталог типовых узлов контактной сети, М., ТЭЛП, 1984 г., стр. 104, 105) различных типов.

Контактную подвеску выполняют в виде отдельных участков, механически не зависимых друг от друга. Такое разделение позволяет осуществить компенсированные анкеровки (закрепление) проводов, уменьшить зону повреждения в случае обрыва проводов, упрощает монтаж подвески, так как его можно осуществлять отдельными участками.

Для разделения подвески на участки один конец провода анкеруют на специальной, более мощной (анкерной) опоре, способной воспринять натяжение провода. Затем провод подвешивают к ряду промежуточных опор, рассчитанных только на нагрузки от массы проводов, гололеда и ветра. Другой конец провода закрепляют (через компенсатор или жестко) на такой же мощной анкерной опоре.

Систему конструкционных элементов, предназначенных для функционирования опоры, - одного из основных элементов подвески, называют опорным узлом. Рессорные опорные узлы, помимо несущего троса, содержат рессорные тросы, предназначенные для выравнивания токосъема. Опорные узлы, не снабженные рессорными тросами, называют безрессорными.

Чтобы устранить возможные нежелательные перемещения проводов в сторону одного из компенсаторов, примерно в середине анкерного участка устраивают специальный узел контактной подвески, называемый средней анкеровкой. В полукомпенсированных подвесках среднюю анкеровку делают только для КП, в компенсированных - и для КП и для НТ (см. Контактная сеть и воздушные линии. Нормативно-методическая документация по эксплуатации контактной сети и высоковольтным линиям - Справочник. М., Министерство путей сообщения РФ. 2001 г, стр. 278). Средняя анкеровка КП содержит дополнительный трос, называемый тросом средней анкеровки КП, предназначенный, как и струны, для фиксации КП относительно НТ, но в отличие от струн, расположенных под углом к соединяемым им проводам. Трос средней анкеровки крепится на НТ и через несколько промежутков между нерессорными струнами, соединяющими НТ и КП, наклонно крепится на КП. В результате в процессе эксплуатации подвески трос средней анкеровки подвергается износу при трении о струны. Средняя анкеровка компенсированной подвески содержит дополнительные тросы средней анкеровки НТ, расположенные выше НТ и закрепленные на консолях опор, ограничивающих пролет средней анкеровки, и опоры, расположенной в центре указанного пролета.

При обрыве КП какой-либо части анкерного участка остальная его часть останется неповрежденной, так как провод удерживается тросом средней анкеровки КП и не перемещается. Наличие средней анкеровки НТ и КП исключает перемещение контактных проводов и несущего троса при неравенстве натяжений НТ и КП с разных сторон от средней анкеровки, а также возможное перемещение КП токоприемниками в сторону преимущественного движения электропоездов.

В местах, где токоприемники переходят с контактных проводов одного анкерного участка на контактные провода следующего анкерного участка, монтируют сопряжения (переходные пролеты) анкерных участков. Переходные пролеты предназначены для плавного перехода токоприемника с КП одного анкерного участка на КП другого анкерного участка без нарушения бесперебойного токосъема и снижения скорости движения, а также обеспечения безопасного для токоприемников положения отходящей к анкерным опорам ветви контактной подвески. (Марков А.С. Контактные сети, М., Высшая школа. 1991 г, стр. 20).

Основываясь на отмеченных выше функциональных и конструктивных особенностях анкерного участка, выделяют пролеты с анкеруемыми ветвями контактной подвески (вблизи анкерных опор), переходные пролеты (расположенные между переходными опорными узлами, воспринимающими нагрузки от контактных подвесок смежных анкерных участков на сопряжениях) и промежуточные пролеты (расположенные между обычными промежуточными опорными узлами).

Наличие в подвеске НТ позволяет задать КП ( подбором струн соответствующей длины) беспровесное положение в пролете или смонтировать его с небольшой стрелой провеса. Изменение стрелы провеса КП в цепной подвеске зависит в основном от изменения стрелы провеса НТ.

Качество токосъема косвенно оценивают по коэффициенту эластичности контактной подвески η, который определяют как отношение наибольшего значения эластичности подвески в пролете к ее наименьшему значению в том же пролете. Иногда для расчетов вместо η используют коэффициент жесткости Ж (равномерности эластичности) - величину, обратную эластичности. Эластичность (податливость) подвески в пролете измеряют, прикладывая вертикально к КП силу, равную силе нажатия на КП токоприемника, и измеряют происходящее при этом вертикальное перемещение КП. Значение эластичности в точке рассчитывают как отношение вертикального перемещения КП к силе его вызывающей (К.Г.Марквардт. Контакная сеть. М., Транспорт. 1994., с.201). При достижении заданной расчетной величины эластичности качество токосъема считается удовлетворительным

Коэффициент эластичности в любом пролете анкерного участка ( а следовательно, и качество токосъема) зависит преимущественно от следующих факторов:

- длины пролета - (l)

- длины рессорного троса - (l_р)

- расстояния от опоры до первой простой струны - (с)

- натяжения рессорного троса - (Н_р)

- натяжения НТ - (Т)

- натяжения КП - (К),

что указывает на сложный характер изменения эластичности контактной подвески под влиянием многих факторов.

На практике монтаж контактной подвески обычно производят по типовому проекту, в котором указанные выше параметры получены для идеальных равновесных условий и, как правило, для одного промежуточного пролета заданной длины.

Известно устройство анкерного участка цепной контактной рессорной подвески, включающее концевые пролеты, переходные и промежуточные пролеты, среднюю анкеровку с КП и НТ, взаимодействующими с помощью струн, и поддерживающие конструкции в виде промежуточных и переходных рессорных и безрессорных опорных узлов, снабженных поворотными консолями и фиксаторами (Фрайфельд А.В., Бондарев Н.А., Марков А.С. Устройство, сооружение и эксплуатация контактной сети и воздушных линий. М., Транспорт. 1987., стр. 170. рис. 6,7).

Коэффициент эластичности типового промежуточного пролета известного анкерного участка определен на основе расчетов с использованием зависимостей, справедливых для системы, находящейся в статических условиях равновесия в интервале рабочих температур -40°С...+40°С, и для обеспечения качественного токосъема должен быть ≤1.33 (соответственно Ж≥0.75). Параметры известного анкерного участка характеризуются следующими величинами:

- Длина типового промежуточного пролета анкерного участка l=70 м;

- Длина рессорного троса рессорного опорного узла 2а=12 м;

- Расстояние от опоры до первой рессорной струны в рессорном опорном узле l₁=2м при длине рессорного троса 12 м;

- Расстояние от опоры до первой нерессорной струны в пролете l₁=8 м;

- Натяжение рессорного троса 150 даН;

- Натяжение НТ 1800 даН;

- Натяжение КП 1000 даН;

- Нерессорные струны в пролетах известного анкерного участка устанавливают на расстоянии не более 8 м одна от другой.

Необходимо отметить, что наличие струны посередине участка (центральной струны) является случайным фактом.

Согласно прототипу на основе известных формул определяют значения с, а и коэффициент эластичности при одном или двух контактных проводах. При этом количество струн и фиксаторов учитывается в соответствии с числом контактных проводов, но не учитываются подъемы контактных проводов, изменения натяжения рессорных тросов на опорах и др. важные параметры, влияющие на качество токосъема.

Устройство анкерного участка, описанное в указанном источнике, является наиболее близким по технической сущности заявляемому решению и выбрано заявителем в качестве прототипа.

Известное решение не позволяет обеспечить требуемое при высоких скоростях движения (180-200 км/час) качество токосъема, т.к. наиболее важные параметры пролетов анкерного участка - натяжение НТ и КП, длина рессорных тросов в опорных узлах, расстояние между рессорным опорным узлом и подрессорной струной, расстояние между рессорным опорным узлом и первой нерессорной струной, порядок установки нерессорных струн в центре каждого пролета между опорными узлами и др. параметры участка - неоптимизированы для снижения коэффициента эластичности до минимума, необходимого для таких условий эксплуатации.

На практике известная конструкция не позволяет достичь коэффициента эластичности менее 1.33 - основного критерия пригодности контактной подвески для эксплуатации при скорости движения 200 км/час (Ю.И.Горошков, Н.Л.Бондарев. Контактная сеть. М., Транспорт. 1990., с.224).

Задачей заявляемого изобретения является устранение указанного недостатка за счет создания устройства анкерного участка, обладающего оптимальным соотношением указанных выше основных параметров при коэффициенте эластичности в каждом пролете анкерного участка в интервале η=1.2-1.25 при движении электрифицированного железнодорожного транспорта со скоростью 180-200 км/час.

Технический результат состоит в обеспечении качественного токосъема, отвечающего требованиям отраслевых нормативных документов в условиях движения железнодорожного транспорта со скоростью 180-200 км/час.

Технический результат достигается тем, что параметры устройства анкерного участка цепной компенсированной контактной рессорной подвески высокоскоростной железной дороги, включающего концевые пролеты, переходные и промежуточные пролеты, среднюю анкеровку с контактным проводом и несущим тросом, взаимодействующими с помощью струн, и поддерживающие конструкции в виде промежуточных и переходных рессорных и безрессорных опорных узлов, снабженных поворотными консолями и фиксаторами, оптимизированы на основе многоаспектного анализа данных об изменениях эластичности контактной подвески анкерного участка при движении электрифицированного железнодорожного транспорта со скоростью 180-200 км/час и более. Отмеченные изменения авторы - сотрудники ЗАО «УКС» - изучали в полевых условиях в течение ряда лет по разработанной ими методике.

Отличительными особенностями заявляемого устройства анкерного участка, необходимыми для достижения указанного технического результата, являются:

- рессорные тросы в рессорных опорных узлах выполнены длиной 15-20 м;

- натяжение рессорных тросов рессорных опорных узлов составляет 250 даН - 450 даН;

- расстояние между рессорным опорным узлом и подрессорной струной составляет 4.5-5.5 м;

- расстояние между рессорным опорным узлом и первой нерессорной струной составляет 14-15 м;

- в каждом пролете нерессорные струны установлены на расстоянии 8-10 м друг от друга;

- промежуточные пролеты выполнены с центральной струной;

- натяжение ЦТ составляет 1400-1800 даН;

- натяжение КП составляет 1200-2000 даН;

При реализации указанной совокупности параметров стрела провеса КП в пролетах анкерного участка соответствует интервалу 0-0.05 м. При этом для одного контактного провода или двух контактных проводов в каждой точке подвеса используется одна струна (для двух контактных проводов струна является общей).

Совокупность указанных параметров при длине каждого пролета в интервале 55-60 м позволяет снизить коэффициент эластичности до значения 1.15 и обеспечить высокое качество токосъема при более высоких скоростях движения - в интервале 230-270 км/час.

Совокупность указанных параметров является оптимальной и позволяет решить поставленную изобретением задачу, а также получить дополнительное преимущество - повышение качества токосъема при движении со скоростью 230-270 км/час.

Отклонение в ту или иную сторону от оптимума приводит к отрицательным последствиям.

Повысить качество токосъема помимо указанных конструктивных особенностей позволяет также использование для изготовления КП и НТ материалов с одинаковым коэффициентом температурного расширения α_t в интервале рабочих температур.

Наиболее подходящими материалами для НТ является медный трос М-120, а для КП - медный провод МФ-120 или бронзовый марки НЛФ-100, имеющие α_t=0.000017 [1/°С].

Результаты практической работы авторов, подтверждающие целесообразность и существенность указанных выше параметров, представлены в таблице.

Заявляемое изобретение иллюстрируется графическими материалами, где на фиг.1 представлен в схематичном виде весь заявляемый анкерный участок. Поскольку анкерный участок образуют несколько одинаковых по своему строению частей, на схеме сделаны выровы.

Заявляемое устройство анкерного участка, обеспечивающее заданное натяжение КП 1 и взаимодействующего с ним НТ 2, включает следующие наиболее важные для функционирования контактной подвески части:

- первый анкерный пролет, располагаемый от анкерной опоры 3 до переходного опорного узла 4,

- первый переходной пролет, ограниченный переходным опорным узлом 4 и переходным рессорным опорным узлом 5,

- среднюю анкеровку - пролет, расположенный между промежуточным рессорным опорным узлом 6 и промежуточным рессорным опорным узлом 7. В центре средней анкеровки установлен промежуточный рессорный опорный узел 8,

- последний переходной пролет - пролет, ограниченный переходными опорными узлами 9 и 10.

- последний анкерный пролет анкерного участка - пролет между переходным перессорным опорным узлом 10 и анкерной опорой 11.

Число переходных пролетов зависит от геофизических условий и обычно не превышает 1-3.

Заявляемое устройство анкерного участка выполнено таким образом, чтобы обеспечить минимизацию коэффициента эластичности до значений, находящихся в интервале 1.2...1.25, и таким обратом постоянство токосъема и его высокий уровень на современных скоростных железных дорогах при движении со скоростью 180-200 км/час, а при соблюдении дополнительных требований (п.2 формулы) и при скоростях движения в интервале 230-270 км/час. Конструктивные отличия заявляемого анкерного участка, представленные на фиг.1, следующие:

- промежуточные пролеты выполнены с центральной струной 12;

- элементы рессорного опорного узла (фиг.2), содержащего КП 1, НТ 2, рессорный трос 13, подрессорные струны 14, нерессорные струны 15, имеют следующие размеры:

- длина рессорного троса 13 составляет 15-20 м

- расстояние между опорным узлом и подрессорной струной 14 составляет 4.5-5.5 м,

- расстояние между опорным узлом и первой нерессорной струной 15 составляет 14-15 м;

- в пролетах между опорными узлами нерессорные струны 14 установлены равномерно на расстоянии 8-10 м друг от друга;

- натяжение НТ 2 составляет 1400-1800 даН;

- натяжение КП 1 составляет 1200-2000 даН.

Струны 14, 15 целесообразно выполнять сплошными токопроводящими. Для увеличения срока службы подвески без регулировочных работ целесообразно использовать провода устройства анкерного участка, выполненные из материалов с одинаковым коэффициентом температурного расширения в диапазоне рабочих температур например из медных сплавов марок М-120 и МФ-100 или бронзовый провод НЛФ-100.

Примеры реализации изобретенияКоэффициент эластичности ηПример №1
натяжение несущего троса 1400 даН.
натяжение контактного провода 1200 даН
длина рессорных тросов в рессорных опорных узлах 15 м
расстояние между рессорным опорным узлом и подрессорной струной 4.5 м
расстояние между рессорным опорным узлом и первой нерессорной струной 14 м
нерессорные струны установлены равномерно на расстоянии 8 м друг от друга
промежуточные пролеты выполнены с центральной струной.
Натяжение рессорного троса 250 даН1.25Пример №2
натяжение несущего троса 1600 даН
натяжение контактного провода 1600 даН
длина рессорных тросов в рессорных опорных узлах 17,5 м
расстояние между рессорным опорным узлом и подрессорной струной 5 м
расстояние между рессорным опорным узлом и первой нерессорной струной 14.5 м
нерессорные струны установлены равномерно на расстоянии 9 м друг от друга
промежуточные пролеты выполнены без центральной струны.
Натяжение рессорного троса 350 даН1.27Пример №3
натяжение несущего троса 1800 даН
натяжение контактного провода 2000 даН
длина рессорных тросов в рессорных опорных узлах 20 м
расстояние между рессорным опорным узлом и подрессорной струной 5.5 м
расстояние между рессорным опорным узлом и первой нерессорной струной 15 м
нерессорные струны установлены равномерно на расстоянии 10 м друг от друга.
промежуточные пролеты выполнены с центральной струной1.20Натяжение рессорного троса 450 даН Пример №4
натяжение несущего троса 1800 даН
натяжение контактного провода 2000 даН
длина рессорных тросов в рессорных опорных узлах 20 м
расстояние между рессорным опорным узлом и подрессорной струной 5.5 м
расстояние между рессорным опорным узлом и первой нерессорной струной 15 м
нерессорные струны установлены равномерно на расстоянии 10 м друг от друга
промежуточные пролеты выполнены с центральной струной.
Натяжение рессорного троса 350 даН1.22Пример №5
натяжение несущего троса 1800 даН
натяжение контактного провода 2000 даН
длина рессорных тросов в рессорных опорных узлах 20 м
расстояние между рессорным опорным узлом и подрессорной струной 5.5 м
расстояние между рессорным опорным узлом и первой нерессорной струной 15 м
нерессорные струны установлены равномерно на расстоянии 10 м друг от друга
промежуточные пролеты выполнены с центральной струной
Натяжение рессорного троса 450 даН.
Длина пролетов 60 м. 
 
 
 
1.15Пример №6
Прототип1.33

Изобретение относится к области электрификации железных дорог, а именно к устройству анкерного участка цепной контактной рессорной подвески современной высокоскоростной железной дороги. Устройство включает концевые пролеты, переходные и промежуточные пролеты, среднюю анкеровку с контактным проводом и несущим тросом, взаимодействующими с помощью струн. Имеются также поддерживающие конструкции в виде промежуточных и переходных рессорных и безрессорных опорных узлов, снабженных поворотными консолями и фиксаторами. Рессорные тросы в рессорных опорных узлах выполнены длиной 15-20 м с натяжением 250 даН - 450 даН. Расстояние между рессорным опорным узлом и подрессорной струной составляет 4,5-5,5 м, расстояние между рессорным опорным узлом и первой нерессорной струной 14-15 м. В пролетах между опорными узлами нерессорные струны установлены равномерно на расстоянии 8-10 м друг от друга. Промежуточные пролеты выполнены с центральной струной. Натяжение несущего троса составляет 1400-1800 даН, а контактного провода - 1200-2000 даН. Изобретение позволяет снизить коэффициент эластичности контактной подвески и обеспечить высокое качество токосъема при движении железнодорожного транспорта со скоростью 180-200 км/час. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Устройство анкерного участка цепной компенсированной контактной рессорной подвески железной дороги, включающее концевые пролеты, переходные и промежуточные пролеты, среднюю анкеровку с контактным проводом и несущим тросом, взаимодействующими с помощью струн, и поддерживающие конструкции - в виде промежуточных и переходных рессорных и безрессорных опорных узлов, снабженных поворотными консолями и фиксаторами, отличающееся тем, что рессорные тросы в рессорных опорных узлах выполнены длиной 15-20 м с натяжением 250 даН - 450 даН, расстояние между рессорным опорным узлом и подрессорной струной составляет 4,5-5,5 м, расстояние между рессорным опорным узлом и первой нерессорной струной составляет 14-15 м, в пролетах между опорными узлами нерессорные струны установлены равномерно на расстоянии 8-10 м друг от друга, промежуточные пролеты выполнены с центральной струной, натяжение несущего троса составляет 1400-1800 даН, а контактного провода - 1200-2000 даН.2. Устройство анкерного участка по п.1, отличающееся тем, что длина каждого пролета находится в интервале 55-60 м.3. Устройство анкерного участка по п.1, отличающееся тем, что струны выполнены сплошными токопроводящими.4. Устройство анкерного участка по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что провода устройства анкерного участка выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом температурного расширения в диапазоне рабочих температур.