CC BY
86
УДК 621.332:3(07)
Ю. А. Кочунов, Е. С. Волгин, С. А. Чебаков
АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВА ОПОР КОНТАКТНОЙ СЕТИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Дата поступления: 16.05.2018 Решение о публикации: 18.06.2018
Аннотация
Цель: Применение полимерных композитных материалов при изготовлении опор и их работоспособность на контактной сети железных дорог. Методы: В основу работы положен анализ статистических данных состояния опорно-поддерживающих конструкций. Результаты: Определено общее количество опор контактной сети железных дорог, находящихся на балансе «Трансэнерго» - филиала ОАО «РЖД». Проведен обзор существующих и перспективных направлений по увеличению надежности рассматриваемых конструкций. Получена оценка свойств и характеристик стоек из полимерных композитных материалов, выполненных по различным технологиям. Практическая значимость: Результаты работы могут быть применены при разработке новых опор контактной сети железных дорог, а также в качестве теоретического материала для студентов высших учебных заведений.
Ключевые слова: Опоры контактной сети железных дорог, полимерные композитные материалы, коррозия, трещины, арматура, стеклопластик.
*Yuriy A. Kochunov, Cand. Eng. Sci., associate professor, [email protected]; Evgeniy S. Volgin, postgraduate srudent, [email protected]; Sergey A. Chebakov, student, cergey97clever@mail. ru (Ural State University of Railway Transport) PRODUCTION ANALYSIS OF CATENARY SUPPORT MADE FROM POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS
Summary
Objective: To apply polymeric composite materials in the process of producing overhead structures and to study its serviceability. Methods: Statistical data analysis of the supporting structures condition underlies the study in question. Results: The total number of supporting structures which were on the balance shit of "Transenergo" - OAO "RZhD" subsidiary was determined. A review of the current and promising directions aimed at the reliability growth of the structures in question was fulfilled. The assessment of properties and characteristics of supporting poles made from polymeric composite materials, and produced by means of different technologies, was carried out. Practical importance: The obtained results can be used in the design of new supporting poles for overhead structures, and as theoretical material for university students.
Keywords: Overhead structures, polymeric composite materials, corrosion, flaws, reinforcement, glassfiber reinforced plastic.
Контактная сеть представляет собой сложную систему электрификации железнодорожного транспорта. Она состоит из опорных конструкций, которые воспринимают на себя нагрузку от проводов, и установленного вспомо-
гательного оборудования. Конструкции, предназначенные для закрепления фиксирующих и поддерживающих устройств, входят в состав опоры; основным документом, регламентирующим применение опор контактной сети
железных дорог, является ГОСТ 19330-2013 «Стойки для опор контактной сети железных дорог» [1]. Данный стандарт распространяется на стойки для опор контактной сети, сооружаемых на общей сети электрифицированных железных дорог и железнодорожных подъездных путях предприятий в различных климатических условиях.
Приведем основные определения:
• опора контактной сети - строительная несущая конструкция, на которой закрепляют устройства контактной сети, состоящая из верхней части (стойки) и подземной части (фундамента) или только из стойки [1];
• стойка для опор контактной сети - элемент опоры, воспринимающий нагрузки от контактной сети, функцией которого является передача этой нагрузки на фундамент или непосредственно на грунт [1].
Опоры классифицируются по назначению, направлению приложения нагрузки, конструктивному исполнению, материалу, из которого они изготовлены, и способу закрепления в грунте.
В ходе эксплуатации железобетонные и металлические опоры подвергаются воздействию внешних факторов, что приводит к возникновению дефектов, основные из которых: 1) коррозия (электрокоррозия); 2) трещины бетона [2, 3]. Как правило, эти дефекты взаимосвязаны. Более 50 % трещин появляется
1400 1200 1000
и 800
3
боо
400
под действием коррозии. В [2] представлены предельно допустимые размеры повреждений, методы диагностирования, приборы дефекти-ровки. Выход опоры из строя под влиянием различного рода дефектов ведет к ее падению, что, в свою очередь, вызывает отказ контактной сети и длительную задержку поездов.
На основании многолетнего анализа работы «Трансэнерго» - филиала ОАО «РЖД» определено общее количество нарушений нормальной работы контактной сети и из них выделены отказы опор (рис. 1). На рис. 2 представлена диаграмма процентного соотношения отказов опор от общего числа нарушений нормальной работы устройств контактной сети. Из этой диаграммы следует, что опоры выходят из строя в среднем около 1,5 % от общего числа устройств контактной сети.
С целью повышения надежности опор контактной сети российскими и зарубежными научно-исследовательскими коллективами (лабораториями) проводятся анализы работоспособности опор, выполненных из полимерных композитных материалов или с их частичным применением [4].
Научные разработки по изучению композитных материалов начались в середине XX в. Во всех передовых странах того времени - СССР, США, Канаде, Японии и др. - проводились исследования по применению стеклопласти-ковой арматуры в качестве армирующего эле-
Год
Рис. 1. Общее количество нарушений нормальной работы контактной сети: 1 - общее количество отказов за год; 2 - количество отказов опор
200 0
2,5
2,0
£
й- 1,5
1,0
2,1 1.9
1,7 > v 1,7 1 1 У 1,7 1,5 1,4
1,1 / \ 0,9 0,8 > 1,2 0,8 4 1,2
0.5
0,0
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
Год
Рис. 2. Соотношение отказов опор от общего количества нарушений нормальной работы
контактной сети
мента в бетонных конструкциях. С распадом СССР в нашей стране подобные работы пришлось приостановить, но технический прогресс заставляет «идти в ногу» со временем, поэтому композитные материалы являются приоритетным направлением развития в России, о чем свидетельствуют Указ Президента Российской Федерации «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации» от 1 декабря 2016 г. № 642; «Стратегия инновационного развития РФ на период до 2020 года», утвержденная распоряжением Правительства РФ от 8 декабря 2011 г. № 2227-р; Распоряжение «Развитие отрасли производства композитных материалов», утвержденное Правительством Российской Федерации от 24 июля 2013 г. № 1307-р.
Современные технологии позволяют изготавливать три варианта опор (рис. 3) [4]. Рассмотрим их более подробно.
Использование стеклопластиковой арматуры как армирующего компонента бетонных опор контактной сети железных дорог подробно описано в статье [5], а также в материалах международной конференции «Композиты СНГ» [6-11].
На основании многочисленных научных исследований разработан и принят документ, регламентирующий применение композитной арматуры для опор контактной сети - ГОСТ
31938-2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций». По ТУ 5714-007-13101102-2009 «Арматура композитная базальтопластиковая» изготовлена арматура, которая прошла испытания в НИИЖБ им. А. А. Гвоздева. Готовая опора, армированная базальтопластиком, испытана в АО «ВНИИЖТ» [7].
На рис. 4 представлены фрагмент арматурного каркаса с анкерами и стойка опоры с композитным армированием, а также фрагменты опоры до и после испытаний методом упругой деформации с приложением нагрузки 40,3 кН, что соответствует 2,0 МН.
Помимо испытаний в состоянии упругой деформации, в соответствии с требованиями ГОСТ 19330-2013, стойки опор должны быть трещиностойкими. Стендовые испытания также проведены в АО «ВНИИЖТ», схема и результаты исследований подробно рассмотрены в [7].
Стоит отметить следующее:
1) вибрационное нагружение не оказало существенного влияния на свойства стоек опор, армированных композитной арматурой;
2) во время вибрационного нагружения видимых повреждений не выявлено;
3) прогиб стойки на уровне контактного провода от приложения нормативного изгибающего момента находился в допустимых пределах;
Рис. 3. Опоры с применением полимерных композитных материалов: а - бетонная опора (1 - стеклопластиковая арматура, 2 - бетон); б - стеклопластиковая опора путем намотки; в - комбинированная стеклопластиковая опора: справа - начало намотки,
слева - готовая деталь
4) стойки опор без вибрационного нагру-жения и прошедшие вибронагружение соответствуют требованию ГОСТ 19330-2013 по трещиностойкости;
5) после вибрационного нагружения и приложения контрольных нагрузок стойки восстанавливают свою прямолинейность (прямолинейность стоек соответствует требованиям ГОСТ 19330-2013);
6) прогиб на уровне контактного провода при приложении нормативного изгибающего момента до и после вибрационного нагруже-ния удовлетворяет требованиям ГОСТ 193302013;
7) все исследуемые стойки опор до и после вибрационного нагружения обеспечивают
коэффициент безопасности по разрушению (1,6 МН).
Таким образом, разработанная технология преднапряжения и анкерования композитной арматуры позволяет армировать бетонные изделия и производить продукты высокого качества, которые обладают преимущественными характеристиками в сравнении с железобетонными изделиями. Полученные результаты подтвердили возможность применения бетонных стоек опор контактной сети РЖД, армированных преднапряженной композитной арматурой [7].
Богатый опыт изготовления стеклопла-стиковых опор путем намотки имеют производители опор освящения и высоковольтных
б
а
в
Рис. 4. Стойка опоры контактной сети с композитным армированием, испытания стойки опоры
в состоянии упругой деформации: а - монтаж композитной преднапряженной арматуры с анкерами; б - стойка опоры контактной сети с композитным армированием; в - стойка опоры на испытательном стенде перед разрушением опоры; г - стойка опоры на испытательном стенде после разрушения опоры
линий электропередачи. Такие опоры широко используются во многих странах: США, Канаде, Австралии, Норвегии, Багамские острова и др., в России они эксплуатируются в ОАО «Ли-пецкэнерго» и ОАО «Кубаньэнерго» [8, 9].
Существует несколько способов изготовления композитных опор:
1. Технология спиральной намотки (СН) (рис. 5) [10].
Толщина слоя стеклопластиковой ленты определяется по уравнению Клеро, где r • sinq> = = const:
h = h
COS Фх
cos фв
2. Пермская непрерывная технология (ПНТ) (рис. 6) [10].
3. Технология мокрой намотки стеклянного ровинга (рис. 7) [8].
Композитные опоры, выполненные по этим технологиям, обладают рядом преимуществ, как, например, относительную простоту изготовления. Однако существенным недостатком такого производства является гибкость конструкций, что подтверждается многочисленными исследованиями производителей опор [8, 9].
Из вышеизложенного можно сказать, что данный вид изготовления поддерживающих конструкций не подходит для опор контактной сети, хотя полученный опыт производства намотки стеклопластика в ближайшем будущем позволит освоить технологии, отвечающие нормативным требованиям «Трансэнерго» -
Рис. 5. Технология спиральной намотки
Рис. 6. Схема автоматического управления толщиной и структурой: 1 - главный привод (вращение оправки); 2 - привод кругового копира; 3 - привод укладчика продольной арматуры; 4 - привод «активной» опоры; 5 - привод укладчика продольной арматуры основного наружного слоя; 6 - датчик толщины стенки; 7 - система управления
толщиной и структурой
филиала ОАО «РЖД». Одним из таких реализованных проектов является стойка коммутационная [10], установленная в Нижегородском отделении ОАО «РЖД».
С целью повышения прочностных характеристик некоторыми производителями освоена технология производства комбини-
рованных композитных опор. Основная суть такой технологии заключается в применении армирования и непрерывной намотки стек-лопластикового ровинга, как показано на рис. 3, в.
Выбор армировочного материала подробно изложен в [11]. При этом следует отметить, что
К шпулчрнику
Рис. 7. Технологический процесс мокрой намотки стеклянного ровинга
одним из важных показателей является прочность армирующих материалов на разрыв в продольном направлении. Анализ данного параметра представлен на рис. 8. На нем видно, что стальная арматура существенно уступает композитам, однако и среди них существуют отличия. С точки зрения электрической прочности можно исключить углепластик, так как он служит проводником. Соотношение ба-зальтопластика и стеклопластика находится в пределах 200 Н/мм2. В настоящее время ведутся изучение свойств и экономическое обоснование применения этих материалов, потому выбор армирующего материала остается за производителем.
Процедура намотки выполняется по технологиям, описанным выше, и также зависит от выбора производителя.
Стоит отметить, что технология комбинированных опор, как и технология намотки, пока не реализована при изготовлении стоек контактной сети железных дорог, хотя при этом является одной из самых перспективных.
В ходе проведенного анализа можно сделать следующие выводы:
1) классифицированы типы опор, используемые для поддержания устройств контактной подвески;
2) рассмотрены нормативные документы, относящиеся к стойкам опор контактной сети железных дорог;
Рис. 8. Характеристики армирующих материалов
3) проанализировано общее количество опор, находящихся на балансе «Трансэнер-го» - филиала ОАО «РЖД», определены их основные дефекты;
4) выполнен анализ работоспособности опор контактной сети железных дорог, созданных из полимерных композитных материалов. Определено, что метод намотки стеклопласти-кового ровинга и комбинированный метод широко используются в изготовлении стоек для опор промышленной энергетики, но производство опор для контактной сети железных дорог данными способами не освоено или находится в процессе изучения (испытаний). Что касает-
ся опор, армированных композитной арматурой, то такие стойки прошли путь от НИОКР до опытной эксплуатации. По информации, предоставленной заведующим отделом «Контактная сеть и токосъем» ОАО «ВНИИЖТ» П. Г. Тюрниным [12], первая партия опор контактной сети, выполненных с применением композиционных материалов (производство Нанотехнологического центра композитов), уже установлена на железнодорожном перегоне Павловский Посад-Электрогорск и на станции Люблино. Вторая партия прошла во ВНИИЖТ сравнительные ресурсные испытания методом циклического нагружения, по результатам которых была рекомендована к опытной эксплуатации.
Данную тему необходимо внедрить в учебный процесс для студентов технических направлений в области энергообеспечения, так как опоры из полимерных композитных материалов перспективны для установки в устройствах общего электроснабжения и контактной сети железных дорог.
Библиографический список
1. ГОСТ 19330-2013. Стойки для опор контактной сети железных дорог. Технические условия. -М. : Стандартинформ, 2014. - 52 с.
2. Контактная сеть и воздушные линии: иллюстр. пособие по техническому обслуживанию и ремонту контактной сети и воздушных линий. - М. : Департамент электрификации и электроснабжения ОАО «Российские железные дороги» ; ТРАНСИЗДАТ, 2006. - 296 с.
3. Анализ работы Трансэнерго по итогам в 2016 году. - М. : Трансэнерго, 2017. - 93 с.
4. Кочунов Ю. А. Современные поддерживающие конструкции / Ю. А. Кочунов, А. О. Грехов // Инновационный транспорт-2016 : специализация железных дорог : материалы Междунар. науч.-технич. конференции, посвященной 60-летию основания Ур-ГУПС. - Екатеринбург : УрГУПС, 2017. - С. 67-73.
5. Николаев В. Н. Применение композитной полимерной арматуры для опор контактной сети с анкерными креплениями на фундаментах / В. Н. Николаев, В. Ф. Степанова // Промышленное и гражданское строительство. - 2016. - № 7. - С. 79-84.
6. Николаев В. Н. Применение арматуры композитной полимерной для опор контактной сети с анкерным креплением на фундаментах / В. Н. Николаев // Материалы Междунар. конференции «Композиты СНГ». - Роза Хутор Сочи, 2017. - URL : http://composites-cis.com/proceedings2017/24.pdf (дата обращения : 18.04.2018).
7. Царьков А. А. Ускоренные ресурсные испытания опор контактной сети железных дорог /
A. А. Царьков, П. Г. Тюрнин, Д. В. Тартынский,
B. В. Ивакин // Вестн. ВНИИЖТ. - 2016. - № 3. -
C. 189-192.
8. Шаклеин О. В. Опоры из композиционных материалов : Производство и применение / О. В. Ша-клеин // Материалы Междунар. конференции «Композиты СНГ». - Роза Хутор Сочи, 2012. - URL : http://composites-cis.com/proceedings2012/ru/6.pdf (дата обращения : 18.04.2018).
9. Шелест Е. А. Опоры на композитных стойках. Опыт применения / Е. А. Шелест // Материалы Междунар. конференции «Композиты СНГ». -Роза Хутор Сочи, 2012. - URL : http://composites-cis.com/proceedings2012/ru/9.pdf (дата обращения : 25.04.2018).
10. Рапопорт А. Ц. Эффективные опорно-мачтовые конструкции из композитов / А. Ц. Рапопорт // Материалы Междунар. конференции «Композиты СНГ». - Роза Хутор Сочи, 2012. - URL : http:// composites-cis.com/proceedings2012/ru/4.pdf (дата обращения : 25.04.2018).
11. Орешкин Д. А. Композитная арматура для армирования бетонов. Свойства, преимущества и ограничения. Состояние нормативной базы за рубежом и по странам СНГ / Д. А. Орешкин // Материалы Междунар. конференции «Композиты СНГ». -Роза Хутор Сочи, 2011. - URL : http://composites-cis.com/materials/ru/18.pdf (дата обращения : 18.04.2018).
12. Тюрнин П. Г. Сравнительные ресурсные испытания опор контактной сети, выполненных с применением композиционных материалов / П. Г. Тюр-нин. - URL : http://www.vniizht.ru/?id=20&news=376 (дата обращения : 18.04.2018).
References
1. GOST19330-2013. Stoiky dlya opor kontaktnoy sety zheleznykh dorog. Tekhnicheskiye usloviya [GOST 19330-2013. Supporting poles for overhead structures. Specifications]. Moscow, Standartinform Publ., 2014, 52 p. (In Russian)
2. Kontaktnaya set i vozdushniye linii: illyustr. po-sobiye po tekhnicheskomu obsluzhyvaniyu i remontu kontaktnoy sety i vozdushnykh liniy [Overhead system and overhead lines: illustrated aid on repair and maintenance of overhead system and overhead lines]. Moscow, Department of electrification and electric power supply of OAO "Russian Railways", TRANSIZ-DAT Publ., 2006, 296 p. (In Russian)
3. Analyz raboty Transenergo po itogam v 2016 godu [Transenergo performance analysis following the results of 2016]. Moscow, Transenergo Publ., 2017, 93 p. (In Russian)
4. Kochunov Y. A. & Grekhov A. O. Sovremenniye podderzhyvayu konstruktsii [Modern supporting structures]. Innovatsionniy transport-2016: spetsializatsiya zheleznykh dorog: materialy Mezhdunar. nauch.-tekh-nich. konferentsii, posvyashchennoy 60-letiyu osno-vaniya UrGUPS [Modern transport-2016: railroad specialization: proceedings of the International science and technology conference, dedicated to the 60th anniversary of UrGUPS foundation]. Yekaterinburg, UrGUPS Publ., 2017, pp. 67-73. (In Russian)
5. Nikolayev V. N. & Stepanova V. F. Primeneniye kompositnoy polimernoy armatury dlya opor kontakt-noy sety s ankernymy krepleniyamy na fundamentakh [Application of composite polymeric reinforcement for contact-line support with anchorage on foundations]. Promyshlennoye i grazhdanskoye stroitelstvo [Industrial and civil engineering], 2016, no. 7, pp. 79-84. (In Russian)
6. Nikolayev V. N. Primeneniye armstury komposit-noy polymernoy dlya opor kontaktnoy sety s ankernym krepleniyem na fundamentakh [Application of composite polymeric reinforcement for contact-line support with anchorage on foundations]. Materialy Mezhdunar. konferentsii "Kompozity SNG" [Proceedings of the International conference "Composites of the CIS"]. Roza Khutor Sochi, 2017. URL: http://composites-cis. com/proceedings2017/24.pdf (accessed: 18.04.2018). (In Russian)
7. Tsarkov A. A., Tyurnyn P. G., Tartynskiy D. V. & Ivakyn V. V. Uskorenniye resursniye ispytaniya opor kontaktnoy sety zheleznykh dorog [Accelerated life
tests of railroad contact-line support]. Vestnik VNIIZhT [Bulletin of VNIIZhT], 2016, no. 3, pp. 189-192. (In Russian)
8. Shakleyn O. V. Opory iz kompozitsionnykh mate-rialov. Proizvodstvo i primeneniye [Contact-line support made from composite materials. Production and application]. Materialy Mezhdunar. konferentsii "Kompozity SNG" [Proceedings of the International conference "Composites of the CIS"]. Roza Khutor Sochi, 2012. URL: http://composites-cis.com/proceedings2012/ru/6. pdf (accessed: 18.04.2018).
9. Shelest E. A. Opory na kompozitnykh stoikakh. Opyt primeneniya [Contact-line support on composite supporting poles]. Materialy Mezhdunar. konferentsii "Kompozity SNG" [Proceedings of the International conference "Composites of the CIS"]. Roza Khutor Sochi, 2012. URL: http://composites-cis.com/pro-ceedings2012/ru/9.pdf (accessed: 25.04.2018). (In Russian)
10. Rapoport A. Ts. Effektivniye oporno-machto-viye konstruktsii iz kompozitov [Effective support mast design produced from composites]. Materialy Mezhdunar. konferentsii "Kompozity SNG" [Proceedings of the International conference "Composites of the CIS"]. Roza Khutor Sochi, 2012. URL: http://composites-cis. com/proceedings2012/ru/4.pdf (accessed: 25.04.2018). (In Russian)
11. Oreshkin D. A. Kompozitnaya armature dlya armirovaniya betonov. Svoistva, preimushchestva i ogran-icheniya. Sostoyaniye normativnoy bazy za rubezhom i po stranam SNG [Composite reinforcement designed for concrete. Properties, advantages and restrictions. The state of the normative base abroad and in the CIS countries]. Materialy Mezhdunar. konferentsii "Kompozity SNG" [Proceedings of the International conference "Composites of the CIS"]. Roza Khutor Sochi, 2011. URL: http://composites-cis.com/materials/ru/18.pdf (accessed: 18.04.2018). (In Russian)
12. Tyurnin P. G. Sravnitelniye resursniye ispytaniya opor kontaktnoy sety, vypolnennykh s prymeneniyem kompozitsionnykh materialov [Comparison life tests of contact-line support, made with the use of composite materials]. URL: http://www.vniizht.ru/?id =20&news=376 (accessed: 18.04.2018). (In Russian)
*КОЧУНОВ Юрий Александрович - канд. техн. наук, доцент, [email protected]; ВОЛГИН Евгений Сергеевич - аспирант, [email protected]; ЧЕБАКОВ Сергей Александрович - студент, [email protected] (Уральский государственный университет путей сообщения).
