ГЛАВА 13

ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНТАКТНЫХ ПОДВЕСОК,

ИХ ВЗ АИМОДЕЙСТВИЕ С ТОКОПРИЕМНИКАМИ

ПРИ ТОКОСЪЕМЕ

 

13.1. Общие сведения и определения

 

Токосъем (или токоснимание) — процесс передачи электрической энергии от канализирующих ток устройств (коммуникаций) энергополучателям (токопри-емникам), электрооборудованию ЭПС. Это понятие распространяется на любой вид неавтономного электротранспорта с любым способом токосъема (контактного, бесконтактного, квазиконтактного).

Надежность токосъема определяется отсутствием повреждений, связанных с задержками поездов, предотвращением ущерба от них, т.е. с обеспечением безопасности движения. К экономичности токосъема относится минимальный износ контактирующих элементов (проводов и пластин токоприемников, электродов   и т.п.), т.е. ресурсосбережение  дефицитных материалов  (меди и т.п.). Энергосбережение при токосъеме — экономия электроэнергии на тягу поездов — осуществляется за счет снижения лобового сопротивления токоприемников. Экологичным токосъем может быть только без больших радио- и телепомех, шумовых воздействий и засорения почвы.

Способы токосъема. При контактном способе токосъема (рис. 13.1) токопроводы могут иметь как жесткую (или полужесткую), так и гибкую конструкцию, а также специфические токосъемные или токоприемные локальные узлы (точки).

Жесткие контактные токопроводы укладывают между рельсами или подвешивают либо к своду тоннеля, либо внизу на стойках сбоку от ходовых рельсов (с верхней, нижней, боковой контактными поверхностями), а также монтируют в подземной траншее под путями или прокладывают в полимерной эластичной трубе. Токоприемники жестких контактных токопроводов имеют плоские скользящие контакты.

Полужесткие контактные токопроводы представляют собой ненапряженные балки-модули, имеющие незначительную гибкость и упругие подвесы в опорных точках. Некоторые из модулей (например, трубчатые или штампованные профили) в нижней части имеют контактные шины или провода. В качестве токоприемников для них используют цилиндры-челноки, плоские скользящие контакты или катящиеся ролики (троллеи), валики, вращающиеся щетки.

Рис.13.1. Способы контактного токосъема: контактные токопроводы и элементы  токоприемников ЭПС

 

Гибкие токопроводы с воздушными проводами включают в себя или трубы с разрезом в нижней части, подвешенные к несущему тросу, или провода круглого, восьмеричного и грушевидного профиля сечения с продольными крепежными канавками. Профилированные контактные провода с канавками могут быть монометаллическими, биметаллическими, комбинированными из различных металлов. Их используют в различных типах простых и цепных (плоских и объемных) контактных подвесок.

К специфическим способам контактного токосъема можно отнести смонтированные между ходовыми рельсами токоприемника точки с верхними контактными поверхностями, получающими питание от кабеля при срабатывании путевых педалей, а также установленные на прямых консолях токосъемные точки с нижними контактными поверхностями, питающимися от трехфазной ЛЭП, смонтированной на опорах контактной сети. В этих случаях токоприемники выполняются в виде длинных лыж, подвешенных вдоль подвижного состава на подвижных рамах токоприемников.

Использование контактных систем при увеличенных скоростях движения до 200—350 км/ч требуют создания и применения новых специальных контактных материалов, имеющих минимальную массу и способных снимать ток болыпой плотности, не отжигая при этом провода.

Бесконтактные способы токосъема (рис. 13.2)основаны на емкостном, волновом или индуктивном принципах передачи электроэнергии. Однако они требуют больших капиталовложений для создания питающей сети, источников и преобразователей энергии. Кроме того, сам процесс передачи энергии сопровождается значительными потерями. Наиболее целесообразным оказалось внедрение бесконтактного токосъема во взрывоопасных шахтах на высокочастотном транспорте, невзирая на низкий КПД. Возможно использование передачи электроэнергии с помощью лазеров. В этом случае кроме низкого КПД, добавляются сложности, связанные с поворотами прямолинейного луча на кривых участках пути. Индуктивный токосъем может применяться для обеспечения электромагнитного подвеса движущегося экипажа в случае использования синхронного линейного двигателя, обмотка которого расположена на эстакаде.

 

Рис.13.2. Способы бесконтактного токосъема

 

Квазиконтактные способы токосъема (жидкостной и электродуговой) (рис. 13.3) позволяют использовать существующую систему тягового электро-снабжения без ее коренного переустройства и обладают более высоким КПД токопередачи по сравнению с бесконтактными. При жидкостном способе необходимо располагать электропроводящей жидкостью с заданными свойствами и устройствами для образования струй и их сбора. Для электродугового способа необходимы поджигающие дуги плазматроны и авторегулирующие устройства, перемещающие дугу по электродам со скоростью, предотвращающие их износ. Переход на электродуговой токосъем целесообразен после достижения ЭПС определенной скорости. Но при этом на столб дуги начинает воздействовать воздушный поток, а также изменение тягового тока и расстояния между электродами. Перспективность применения способа определяется теоретической возможностью замены медного провода стальным и исключением необходимости стабилизации нажатия токоприемника на токопровод (достаточно стабилизации величины зазора).

 

Рис.13.3. Способы квазиконтактного токосъема

 

13.2. Критерии качества токосъема

 

Актуальность проблемы токосъема на электрифицированном железнодорожном транспорте определяется следующими обстоятельствами:

1) реализацией скоростей до 220 км/ч на скоростных и 350 км/ч на высокоскоростных магистралях в пассажирском движении и для перевозки контейнеров при 160 км/ч, значительно ухудшающей динамические условия процесса взаимодействия токопровода и токоприемника. Кинетическая энергия, выделяющаяся на неровностях (спецчастях) контактной подвески зависит от квадрата скорости движения. По условию критических скоростей электропоезд после 220 км/ч должен работать не более, чем на двух токоприемниках, после 300 км/ч — на одном. Это предопределяет использование электрической тяги с переменным повышенным напряжением 15—27 кВ и уменьшенным током;

2) повышением мощностей электровозов и электропоездов, а также централизованным электроснабжением пассажирских вагонов, что приводит к увеличению силы тока, проходящего через один токоприемник. Особенно это свойственно для трехсекционных грузовых и двухсекционных пассажирских электровозов постоянного тока, работающих на двух поднятых токоприемниках. Пассажирские электропоезда для реализации высоких скоростей должны иметь повышенную мощность, т.е. должны также снимать увеличенный ток при уменьшении числа токоприемников;

3) ужесточением экологических норм на радиопомехи, шум и продукты токосъема;

4) ужесточением требований к надежности перевозок в связи с перспективами увеличения международного евроазиатского транзита, в том числе к надежности токосъема.

Проведенными анализами последствий ухудшенного токосъема установлено, что наиболее рациональным путем решения проблемы увеличения скорости ЭПС до 220 км/ч надо считать усовершенствование токоприемников, а также углубленные исследования процессов токосъема в установившемся и переходном режимах.

При скоростях выше 220 км/ч необходимо принимать меры и по усовершенствованию контактной сети. В пользу этого утверждения говорит рассмотрение технических и социологических аспектов.

В установившемся режиме неудовлетворительный токосъем может привести:

а) к катастрофически нарастающему износу контактирующих элементов (при этом движение поездов может продолжаться некоторое время);

б) повреждениям с задержкой поездов; отрывам, ведущим к отжигу и пережогу провода; к круговому огню по коллекторам тяговых двигателей и перенапряжениям и разборке схем ЭПС; к недопустимому увеличению радио- и телепомех; а также к отрывам, сопровождаемым ударами, вызывающими раскрепление деталей; к периодическим увеличениям контактного нажатия, ведущим к поджатиям фиксаторов, и т.д.

Таким образом, в установившемся режиме решающим фактором становится экономичный (с малым износом) и надежный (без повреждений) токосъем. Проблемы токосъема в этом случае решаются улучшением характеристик контактных подвесок и усовершенствованием токоприемников. Каждый путь включает в себя улучшение антифрикционных свойств контактных материалов.

В переходных режимах неудовлетворительный токосъем ведет не только к пережогам проводов, но и поломкам элементов токоприемников и контактных подвесок из-за кратковременного появления вертикальных и горизонтальных продольных и поперечных сил, к недопустимому изменению характеристик и параметров узлов во время эксплуатации и т.д. Причинами таких повреждений могут быть поперечные и вертикальные колебания кузова, горизонтальные силы от контактного провода, удары при подъеме и опускании токоприемника, удары о препятствия на контактном проводе, недостаточные время опускания токоприемника и прочность узлов, боковой ветер, отсутствие должного контроля в эксплуатации. Путь обеспечения надежного токоснимания в переходных режимах один — усовершенствование элементов токоприемников.

К основным критериям процесса токосъема относятся: величины износа контактной пары, отрывы токоприемников от проводов, размах колебаний полоза и контактного нажатия, коэффициенты надежности работы контакта и экономичности токосъема, а также минимум годовых эксплуатационных расходов.

Величина износа контактных динамических пар в эксплуатации является наиболее объективным критерием оценки их работы. Износ может использоваться как сравнительный показатель для материалов контактной пары и величины тока. Он характеризует работу динамической системы. Однако процесс износа контактного провода протекает медленно, несколько лет, в течение которьк будут неоднократно изменяться метеоусловия, а также типы ЭПС и токоприемников с разными характеристиками, токами, скоростями движения. Будут также влиять и другие факторы, например, высота получившегося износа сечений проводов. Поэтому результаты анализа износов контактного провода можно получить только по истечении значительного отрезка времени.

Изнашивание пластин токоприемника проходит значительно быстрее. Срок их службы — это пробег до замены. Но конкретный токоприемник будет изнашиваться при езде по тяговому плечу (или плечам) с конкретными профилями при меняющихся за несколько суток метеоусловиями, при разных манерах ведения поездов машинистами и поездных ситуациях (ток, скорость), истощением смазок и т.д. Тем не менее важнейшими для эксплуатации являются статистические данные по среднему удельному износу проводов и расходу пластин, соотнесенные к пробегу ЭПС.

Отрывы токоприемников от проводов являются критерием, который можно использовать во время инспекционных и опытных поездок. Они дают мгновенную оценку надежности токосъема, хотя и не учитывают возможность поджатия проводов. При визуальной оценке (по вольтметру) учитывается количество отрывов, при их регистрации осциллографом или другими приборами — их продолжительность. Вариантом такой оценки является коэффициент отрывов К' , представляющий процентное отношение суммы времени отрывов к периоду наблюдения Т(рис. 13.4, а)

Размах колебаний полоза (рис. 13.4, б) относительно уровня головки рельса (или отжатия проводов токоприемником) определяются динамической составляющей контактного нажатия токоприемника и рассчитываются по формуле

 

Наиболее объективным критерием токосъема является контактное нажатие, которое также характеризуется размахом его колебаний в пролете (рис. 13.4, в):

 

Рис. 13.4. К определению критериев токосъема: коэффициента отрывов (а), колебаний полоза (б), контактного нажатия, коэффициента ненадежности (в), упрощенного коэффициента экономичности (г): U_кс — напряжение сети; H_л — траектория полоза; l — длина пролета; x — координата пути; Р_кт — контактное нажатие; j— износ проводов и вставок

 

Малый размах колебаний означает, что динамическая составляющая контактного нажатия оказывает незначительное влияние на нажатие. Однако для измерения контактного нажатия необходима специальная аппаратура и, кроме того, при автоматическом сканировании кривой нажатия могут быть пропущены экстремальные значения.

Коэффициент ненадежности работы контакта характеризует его склонность к возникновению повреждений (поджатий или пережогов). Для его определения необходимо установить значения допускаемых минимальных и максимальных нажатий. Сумма числа случаев выхода контактного нажатия в пролете за допускаемые значения дает коэффициент ненадежности:

 

Превышение допустимых значений Р_{кт mах} и Р_{кт min}  может быть учтено коэффициентом опасности k_оп, определяемым по нелинейной зависимости от нажатия или по формуле

 

Экономичность токосъема — обеспечение минимальной величины износа проводов и пластин токоприемников. Для ее оценки необходимо располагать U-образной зависимостью износа взаимодействующей пары от контактного нажатия и тока.

Упрощенный коэффициент экономичности можно найти, если использовать одну точку U -образной кривой — оптимальное нажатие, при котором будет минимальный износ. Можно допустить, что это нажатие равно статическому нажатию, принятому для данного типа токоприемника. Коэффициент можно найти, анализируя отклонения значений максимального и минимального нажатий в пролете от оптимального (рис. 13.4 г):

Это среднее в пролете отклонение пропорционально превышению износа над оптимальным, если принять, что U -образная кривая имеет две прямые, расположенные под углом 45° к оси ординат. Потеря меди в пролете будет пропорциональна сумме оптимального износа с его превышением.

Коэффициент экономичности, учитывающий гистограмму нажатий в пролете и конфигурации реальных U -образных кривых, будет рассмотрен ниже.

В качестве обобщающего критерия для оптимизации характеристик и параметров контактных подвесок и токоприемников можно применять принцип минимума годовых приведенных расходов:

где С_си, С_ти — эксплуатационные расходы, связанные с износом контактных проводов и пластин токоприемников соответственно; С_тп, С_сп — эксплуатационные расходы, определяемые ущербом от повреждений токоприемников и контактной сети соответственно; К_т К_с — капитальные затраты на токоприемники и контактную сеть с учетом устройств диагностики и ремонтного оборудования соответственно; Т_т Т_с — нормативные сроки окупаемости соответственно.

Минимизацию этих расходов можно производить по критериям экономичности и ненадежности, выраженными коэффициентами К_э и К_н. Определение последних связано с необходимостью иметь кривые контактного нажатия, которые являются универсальными и объективными оценками процесса токосъема.

Весовой коэффициент экономичности К_э характеризующий потерю контактирующих материалов, приведенную к 1 км подвески и пробегу 1000 токоприемников, км,

 

где n — количество рассматриваемых интервалов определенного нажатия в контакте j_i (Р_kт, I_э) — интенсивность износа (в функции нажатия и тока) на i-м интервале; n_i — количество случаев данного нажатия на 1-м интервале; v — количество рассматриваемых разрядов контактного нажатия. Умножение К_э на специальный коэффициент К_экс позволяет учесть дополнительные эксплуата-ционные факторы.

Критерий ненадежности К_н базируется на определении допускаемых минимальных и максимальных нажатий, случаи выхода за которые условно считаются отказами. Величина выхода за допускаемые значения (серьезность отказа) задается шкалой опасности с коэффициентами _{mах i} и_{min i}.

Определение оптимального значения какой-либо одной характеристики токоприемника или подвески для установившегося режима при неизменности всех остальных сводится к нахождению дополнительных капиталовложений и величины снижения эксплуатационных расходов от износа контактирующих элементов (с помощью коэффициента экономичности). Анализ следует проводить для заданных скоростей движения, длин пролетов и стрел провеса на тяговых плечах. Параметры токоприемников и контактных подвесок пока принимаются детерминированными, т.е. не учитываются возможные допуски, получающиеся при изготовлении и монтаже, а также условия эксплуатации (скорости и нагрузочные токи поездов).