CC BY
16
УДК 621.332.33(043)
А. Г. Галкин, А. А. Ковалев, А. В. Микава
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), г. Екатеринбург, Российская Федерация
ВЛИЯНИЕ УГЛА НАКЛОНА ОПОРЫ НА ВЫСОТУ ПОДВЕСА КОНТАКТНОГО ПРОВОДА ОТНОСИТЕЛЬНО УРОВНЯ ГОЛОВКИ ДЛЯ СКОРОСТНЫХ И ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ КОНТАКТНЫХ ПОДВЕСОК
Аннотация. В статье рассмотрено влияние угла наклона опоры на положение контактного провода относительно уровня головки рельса. Предложено учитывать изменение состояния опорно-поддерживающих конструкций в конечном расчете статических параметров контактной подвески на скоростных и высокоскоростных участках железнодорожных магистралей.
Ключевые слова: консоль контактной сети, опора, контактная подвеска, высокоскоростной и скоростной железнодорожный транспорт, несущий трос, контактный провод, угол наклона опоры
Alexander G. Galkin, Alexey A. Kovalev, Alexander V. Mikava
Ural State Transport University (USTU), Ekaterinburg, the Russian Federation
THE EFFECT OF POLE'S ANGLE INCLINATION ON CONTACT WIRE POSITION RELATIVE TO THE LEVEL OF THE RAIL HEAD FOR SPEEDS AND HIGHSPEEDS CATENARIES
Abstract. The article describes how the inclination angle of a pole affects the position of contact wire relative to the level of the rail head. It is proposed to take into account a change in position of supporting constructions on the static parameters of catenary in high-speed Railways.
Keywords: cantilever, contact-line support, catenary, high-speed railway transport, suspension cable, contact wire, inclination angle of a pole.
В рамках решения задачи по повышению надежности устройств электроснабжения большое внимание уделяется обеспечению стабильной работы элементов контактной сети, влияющих на качество токосъема.
Приведем основные статические параметры контактной подвески, которые являются неотъемлемой частью при взаимодействии токоприемника с контактным проводом:
- расстояние от уровня головки рельса (УГР) до контактного провода;
- разница высот контактного провода от УГР в опорных узлах при смежных опорах.
Указанные параметры подвески должны соответствовать утвержденным проектным
нормам при высокоскоростном и скоростном движении поездов [1].
На рисунке 1 изображена горизонтальная консоль контактной сети с обозначениями составных частей для расчета ее параметров.
Для оценки влияния угла наклона опоры на статические параметры контактной подвески приведем формулу для расчета расстояния от контактного провода до УГР:
H к.п = H н.т i
H
(1)
где Hнтi - высота несущего троса от УГР на г-й опоре, мм; - конструктивная высота
контактной подвески на г-й опоре, мм.
Поворотный зажим для крепления несущего троса монтируется на горизонтальный стержень консоли.
Расстояние от УГР до несущего троса рассчитывается относительно точки установки консоли по формуле:
Нн.т i = Н н.к i + Нб i + Н п.з i:
(2)
где Нн к i - расстояние от УГР до точки монтажа нижнего консольного хомута на г-й опоре, мм; Нб i - база консоли (расстояние между верхним и нижним узлами крепления) на г-й опоре, мм; Нпз i - высота поворотного зажима несущего троса на г-й опоре, мм.
Рисунок 1 - Горизонтальная консоль контактной сети с условными обозначениями
Подставив уравнение (2) в (1), получим формулу, которая позволяет рассчитать высоту подвеса контактного провода, учитывая геометрические и установочные параметры опорно-поддерживающих конструкций:
Нк.п i = Нн.к i + Нб i + Нп.з i _ Нк.в i.
(3)
Разницу высоты контактных проводов от УГР в узлах на смежных опорах запишем в
виде:
к.п г(г+2) Нк.п г Нк.п г±2 ■
(4)
где Нкп г - высота контактного провода от УГР на г-й опоре, мм; Нкп г±2 - высота контактного
провода от УГР на смежной опоре, мм (г ± 2 > 0).
Итоговое выражение для определения высоты контактного провода от УГР с учетом возвышения рельса имеет вид:
Нк.п г = Нн.к г + Нб г + Нп.з г — Нк.в г +
(5)
где кр - возвышение рельса (имеет знак «+», если левый рельс выше правого при рассмотрении пути по ходу возрастания пикетажа, знак «-», если правый рельс выше левого).
Расчет разницы высот контактного провода от УГР на смежных опорных узлах запишется в виде:
Н = Н — Н
к.п г к.п г к.п г±2
(6)
06301360
На рисунке 2 изображена опора контактной сети, которая наклонена в сторону поля. При этом угол наклона влияет на итоговое значение основного статического параметра контактной подвески (КП) [2]. На скоростных и высокоскоростных магистралях конструктивная высота контактной подвески должна быть постоянной по всей длине пролета [3]. В связи с этим при расчетах приняты следующие допущения:
- конструктивное исполнение консоли - горизонтального типа;
- центр вращения опоры расположен на пересечении ее оси с условным обрезом фундамента.
Когда опора не наклонена, то она образует прямой угол с горизонтальным стержнем консоли в треугольнике AMF, где < M = 90°, точка F - точка крепления несущего троса.
Из рисунка 2 видно, что при наклоне опоры точка крепления несущего троса меняет свое положение по высоте на величину, равную длине отрезка DE.
На рисунке три прямоугольных трегольника: первый - ДАВС (< B = 90°), второй -ABED (< E = 90°), третий - ДВМС (< M = 90°). Для наглядности на рисунке 3 приведено расположение данных треугольников относительно друг друга. У треугольников BED и BMC: < M = <E = 90°, а угол В - общий.
Следовательно, < С = <. Также у треугольников: АВС и BED: < ABC = < BED = 90°. Ранее доказано, что <ACB = < BDE, значит, < CAB = < DBE, при этом < CAB - угол наклона опоры, который для удобства обозначим а.
Катет DE прямоугольного треугольника BED является величиной, на которую изменяется точка подвеса несущего троса относительно УГР ввиду наклона опоры в сторону поля.
Гипотенуза BD треугольника BED - расстояние от центральной оси опоры до точки крепления несущего троса вдоль горизонтального стержня консоли.
а ШШШШШ//л
п
Рисунок 3 - Схема взаимного расположения прямоугольных треугольников
Рисунок 2 - Опора наклонена в сторону поля
Запишем уравнение для определения изменения точки крепления несущего троса (ку поле) ввиду наклона опоры в сторону поля:
к = L • sina, (7)
у поле кон ' V /
где Lкон - расстояние от центральной оси опоры до точки крепления несущего троса вдоль
горизонтального стержня консоли, мм; а - угол наклона опоры, градусы.
В соответствии с Нормами ... [3] наклон опоры для скоростных участков контактной сети в сторону пути не допускается, а наклон опор в сторону поля и вдоль пути не должен превышать 0,5 % от всей длины опоры. Формула для перевода углов наклона из процентов в градусы имеет вид:
а
град
= arctg(anpo4 /100 %),
(8)
где апроц - угол наклона опоры, %.
Подставив формулу (8) в уравнение (7), получим итоговую математическую модель для определения высоты контактного провода от УГР с учетом угла отклонения опоры в сторону поля:
Hк.п / = Hн.к / + Нб / + Hп.з /
H к.в i + hp + hy поле.
(9)
Для того чтобы учесть в математической модели угол наклона опоры вдоль пути, обратимся к рисунку 4, на котором изображена наклонившаяся вдоль пути опора.
Если опора на рисунке 4 наклонится влево, то рисунок будет изображен зеркально. Расстояние от УГР до точки крепления несущего троса на консоли при прямой опоре равно АВ, а при наклонившейся - АС. Наклон опоры образует равнобедренный треугольник АВС и прямоугольные треугольники ВМС и АМС, где катет ВМ - значение изменения высоты подвеса несущего троса вследствие наклона опоры. Для наглядности на рисунке 5 приведено отдельное изображение равнобедренного треугольника АВС.
Рисунок 4 - Опора, наклонившаяся вдоль пути
Рисунок 5 - Равнобедренный треугольник АВС
В треугольнике АВС проведем биссектрису АН, которая делит угол наклона опоры (а) пополам, в равнобедренном треугольнике она является медианой и высотой, а также образует прямоугольный треугольник АНС. Отрезок АН определяется по формуле:
АН = Н
а
cos—. 2'
(10)
где Нвк - боковая сторона АС равнобедренного треугольника АВС, равная расстоянию от
УГР до точки крепления несущего троса на консоли, мм.
Запишем формулу для расчета катета НС прямоугольного треугольника АНС:
НС = Л Н2ВК - (Нвк. cosa)\
(11)
06301360
где Нвк - боковая сторона АС равнобедренного треугольника АВС, равная расстоянию от
УГР до точки крепления несущего троса на консоли, мм; а - угол наклона опоры, градусы. Основание ВС равнобедренного треугольника запишется следующим образом:
ВС = 2 • НС = Н2„ - (Нв.к • cos-)2 . (12)
Запишем формулу для расчета катета МС прямоугольного треугольника АМС:
МС = Нвк sin а, (13)
где Нвк - боковая сторона АС равнобедренного треугольника АВС, равная расстоянию от
УГР до точки крепления несущего троса на консоли, мм; а - угол наклона опоры, градусы. Запишем формулу для расчета катета ВМ прямоугольного треугольника BM£:
ВМ = у1 ВС2 - МС2, (14)
где ВС - гипотенуза прямоугольного треугольника ВМС, мм; МС - катет прямоугольного треугольника ВМС, мм.
Подставив формулы (12) и (13) в (14), получим значение изменения высоты подвеса несущего троса вследствие наклона опоры вдоль пути:
hвдоль = Н2в.к -(Нв.к • cos2)2]-(Нв.к • Sina)2. (15)
Введя формулу (15) в уравнение (9), получим итоговое выражение для определения высоты контактного провода от УГР с учетом угла отклонения опоры вдоль пути:
Н . = Н . + Нб. + Н . - Н . + к- к . (16)
к.п г н.к г б г п.з г к.в г р у поле V /
На основании сказанного можно сделать выводы, что предложенные расчеты доказывают, что наклон опоры вдоль пути влияет незначительно: при значении угла, равном 0,5 % от длины опоры, расстояние от УГР до контактного провода уменьшается на 1 мм, но при аналогичном значении угла наклона опоры в сторону поля высота контактного провода от УГР увеличивается уже на 11 мм, что в свою очередь недопустимо для участков со скоростью движения подвижного состава свыше 250 км/ч.
Разработанные авторами формулы (9) и (16) позволяют получить реальные значения статических параметров контактной подвески с учетом угла наклона в сторону поля и вдоль пути соответственно и оперативно определить требуемое положение для подвеса несущего троса и контактного провода, например, после выправки опоры, что обеспечивает возможность продления жизненного цикла устройствам контактной сети [4].
Учет отклонения параметров контактной подвески от нормы немаловажен при волновых процессах в контактных подвесках [5]. При этом необходимо использовать современные технологии при производстве строительно-монтажных работ на опорных и поддерживающих конструкциях контактной сети [6 - 8]. Появляется возможность повысить безопасность производства работ, так как процесс измерений происходит со стороны поля и нет необходимости использовать вагон-лабораторию контактной сети (ВИКС), что выгодно экономически.
Список литературы
1. Микава, А. В. Обеспечение требуемых статических параметров скоростных и высокоскоростных контактных подвесок на этапах жизненного цикла [Текст]: Дис... канд. техн. наук: 05.22.07 / Микава Александр Ваноевич. - Екатеринбург, 2017. - 157 с.
2. Ковалев, А. А. Формирование управляющих воздействий на контактной сети с учетом процесса разрегулировок опор [Текст]: Дис... канд. техн. наук: 05.22.07 / Ковалев Алексей Анатольевич. - Екатеринбург, 2008. - 234 с.
3. СТН ЦЭ 12-00. Нормы по производству и приемке строительных и монтажных работ при электрификации железных дорог (устройства контактной сети) [Текст] / Департамент электрификации и электроснабжения МПС РФ. - М.: Трансиздат, 2000. - 88 с.
4. Микава, А. В. Расчет продолжительности жизненного цикла консолей контактной сети [Текст] / А. В. Микава // Транспортное дело России. - 2015. - № 5. - С. 150 - 152.
5. Смердин, А. Н. Совершенствование методики исследования волновых процессов в контактной подвеске на основе конечно-элементной модели [Текст] / А. Н. Смердин, А. С. Голубков, В. А. Жданов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск. - 2011. - № 1. - С. 30 - 37.
6. Микава, А. В. Разработка способа монтажа поддерживающих конструкций на опоре контактной сети [Текст] / А. В. Микава // Научное обозрение. - 2014. - № 10 (ч. 1). -С. 60 - 62.
7. Комплексное внедрение инноваций на железнодорожном транспорте России [Текст] / А. А. Ковалев, А. В. Микава и др. // Транспортное дело России. - 2013. - № 4 (107). -С. 24 - 26.
8. Галкин, А. Г. Мониторинг инфраструктурного комплекса системы токосъема в процессе эксплуатации [Текст] / А. Г. Галкин, А. А. Ковалев, А. В. Микава // Инновационный транспорт / Уральский гос. ун-т путей сообщения. - Екатеринбург. - 2012. - № 1(2). -С. 44 - 48.
References
1. Mikava А. V. Obespechenie trebyemyh staticheskih parametrov skorostnyh i vysokoskorost-nyh kontaktnyh podvesok na etapah zhiznennogo cikla (Provision of equired static parameters of speed and highspeed catenary during the life cycle). PhD thesis, Ekaterinburg, 2017, 157 p.
2. Kovalev А. А. Formirovanie uprovlyaushih vozdeistvii na kontaktnoi seti s uchetom processa razregulirovok opor (Formation of control actions on overhead system subject to disajustment of poles). PhD thesis, Ekaterinburg, 2008, 234 p.
3. Normy po proizvodstvy i priemke stroitelnyh i montazhnyh rabot pri elektrifikacii zhelezh-nyh dorog (ustroystva kontaktnoi seti), STN CE 12-00. Departament elektrifikacii i elektrosnab-zheniya MPS RF (Standards for manufacturing and ka reception of construction and installation works during railway electrification (overhead system devices) Department of Russian railway electrification). Moscow, 2000, 88 p.
4. Mikava A.V. The life cycle calculation of cantilevers [Raschet prodolzhitelnosty zhiznennogo cikla konsoley kontaktnoi seti]. Transportnoe delo Rossii - The transport business of Russia, 2015, no. 5, pp. 150 - 152.
5. Smerdin A. N., Golubkov A. S., Zhdanov V. A. Improving the methodology research of wave processes for overhead system on the basis of finite element model [Sovershenstvovanie metodiki issledovaniya volnovyh processov v kontaktnoi podveske na osnove konechno-elementnoi modeli]. Izvestiia Transsiba - The journal of Transsib Railway Studies, 2011, no. 1, pp. 30 - 37.
06301360
6. Mikava A.V. The development of installation cantilevers method on overhead system poles [Razrabotka sposoba montazha podderzivayushih konstrykcii na opore kontaktnoi seti]. Naychnoe obozrenie - The scientific review, 2014, no. 10 (part 1), pp. 60 - 62.
7. Kovalev A. A., Mikava A. V., Nesmelov F. S., Kardapolov A. A. The complex introduction of innovations on Russian railway transport [Kompleksnoe vnedrenie innovacii na zheleznodorozhnom transporte Rossii]. Transportnoe delo Rossii - The transport business of Russia, 2013, no.4 (107), pp. 24 - 26.
8. Galkin A. G., Kovalev A. A., Mikava A. V. The monitoring of infrastructure complex of current collection system during operation [Monitoring infrastrukturnogo kompleksa sistemy tokosy-oma v processe ekspluatacii]. Innovacionnyi transport - The innovative transport, 2012, no. 1(2), pp. 44 - 48.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Галкин Александр Геннадьевич
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС).
Колмогорова ул., д. 66, г. Екатеринбург, 620034, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электроснабжение транспорта», УрГУПС.
Тел.: +7(343) 221-24-78.
E-mail: agalkin@usurt.ru
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Galkin Alexander Gennadievich
Ural State Transport University (USTU). 66, Kolmogorova st., Ekaterinburg, 620034, The Russian Federation.
Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the department «The supply of transport», USTU. Тел.: +7(343) 221-24-78. E-mail: agalkin@usurt.ru
Ковалев Алексей Анатольевич
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС).
Колмогорова ул., д. 66, г. Екатеринбург, 620034, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электроснабжение транспорта», УрГУПС.
Тел.: +7(343) 221-24-78.
E-mail: aakovalev@usurt.ru
Kovalev Alexey Anatolievich
Ural State Transport University (USTU). 66, Kolmogorova st., Ekaterinburg, 620034, The Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, Associate Professor, Head of the department «The supply of transport», USTU. Тел.: +7(343) 221-24-78. E-mail: agalkin@usurt.ru
Микава Александр Ваноевич
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС).
Колмогорова ул., д. 66, г. Екатеринбург, 620034, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение транспорта», УрГУПС.
Тел.: +7(343) 221-24-78.
E-mail: avmikava@usurt.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Галкин, А. Г. Влияние угла наклона опоры на высоту подвеса контактного провода относительно уровня головки для скоростных и высокоскоростных контактных подвесок [Текст] / А. Г. Галкин, А. А. Ковалев, А. В. Микава // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2018. -№ 4(36). - С. 69 - 75.
Mikava Alexander Vanoevich
Ural State Transport University (USTU).
66, Kolmogorova st., Ekaterinburg, 620034, The Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, Associate Professor of the department «The supply of transport», USTU.
Тел.: +7(343) 221-24-78.
E-mail: avmikava@usurt.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Galkin A. G., Kovalev A. A., Mikava A. V. The influence of inclination angle of a pole on static parameters for speed and highspeed catenary. Journal of Transsib Railway Studies, 2018, vol. 4, no 36, pp. 69 - 75 (In Russian).
