18
2. Анализ скоростных контактных подвесок
2.1. Скоростные контактные подвески, применяемые в России
В настоящее время на железных дорогах России можно выделить три
диапазона движения электропоездов:
- до 140-160 км/ч – движение поездов на обычных железных дорогах. В данном
диапазоне скоростей применяют компенсированную контактную подвеску КС160, в связи с тем, что служившая до нее контактная подвеска ТЭЛП из-за особенностей своей конструкции не может обеспечить требуемое качество передачи электроэнергии подвижному составу;
- до 200 км/ч – скоростное движение поездов, как правило, на реконструированных линиях. Примером такого движения является участок Москва – СанктПетербург, где используется контактная подвеска КС-200.
- свыше 200 км/ч – высокоскоростное движение на специально построенных
высокоскоростных магистралях. Для обеспечения таких скоростей в России
разработана контактная подвеска КС-250, которая удачно проходит свои испытания на линии Москва – Санкт-Петербург.
2.1.1. Особенности конструкции контактной подвески КС-160
При разработке контактной подвески КС-160 ставилась цель обеспечить
базовые показатели качества контактной сети:
- надежный токосъем;
- эксплуатационная надежность;
- долговечность и малообслуживаемость;
- приближение проектных решений к международным нормам и стандартам.
Разработанные модификации проектов КС-160 (рисунок 2.1) утверждены
Департаментом электроснабжения и ОАО “РЖД” отличаются схемами контактных подвесок, родом тока (переменный или постоянный) и конструктивным исполнением консолей: изолированные, неизолированные, горизонтальные или наклонные.
В принятой в настоящее время в качестве типовой контактной подвеске
KC – 160 реализован ряд современных технических решений. Так, например,
КС-160 - одинарная цепная рессорная компенсированная с двумя контактными
19
проводами, имеет следующие параметры: высота подвешивания контактных
проводов – 6250 мм; конструктивная высота подвески – 1800 мм; натяжение в
несущем тросе М-120 - 18 кН; натяжение в контактных проводах
МФ-120 - 2·12 кН; максимальная длина пролета - 70 м, анкерного участка –
1400 м, натяжение рессорного троса - 2 кН; подвеска имеет две сдвоенные
подрессорные токопроводящие регулируемые струны из троса Bz-II-16.
Для участков с перспективным повышением скоростей движения свыше
160 км/ч рекомендуются модификации КС-160 с горизонтальными изолированными консолями. Для участков, где повышение скоростей не планируется,
предлагается КС-160 с наклонными неизолированными консолями.
Коэффициент неравномерности эластичности составляет 1,6-1,3 (в зависимости от модификации подвески) (таблица 2.1), что позволяет осуществлять
движения поездов со скоростями 160 км/ч и выше.
При скоростях 160 км/ч и выше, а также для грузонапряженных участков
с повышенными токовыми нагрузками, используется токопроводящие регулируемые струны из троса Bz-II-16.
Таблица 2.1 – Сравнительные данные скоростных контактных
подвесок России
Типы подвесок
Уд.
вес
подвесок,
%
Дли Рт , еmax
, еmin ,
на
даН мм/даН мм/да
проН
лета,
м
Существующие
3кВ Компенсирован- 4,2
70
ная
рессорная
25к Компенсирован- 46
70
В
ная
рессорная
Новые компенсированные подвески
3кВ КС-200-3
65
КС-160.6
70
25к КС-160.5
70
В
K 
eMAX
eMIN
U
eMAX  eMIN
100
eMAX  eMIN
21
5,44
3,09
1,85
29,87
13
7,82
3,90
2,00
33,43
32
27
16
4,42
5,23
7,62
3,85
4,03
6,12
1,15
1,30
1,24
6,88
12,97
10,90
В проектах КС-160 повышена надежность всех компонентов контактной
сети. Применена унифицированная арматура из высокопрочного чугуна
20
ВЧ-40, выполненная методом точного литья с защитным цинковым покрытием
или литья из нержавеющей стали. Зажимы проводов контактной сети выполнены из алюминиевой бронзы БрАЖ9-4 по технологии горячей штамповки.
Применение такой технологии позволило значительно повысить надежность, по сравнению с литыми зажимами.
Рисунок 2.1 – Модификации контактной подвески КС-160
2.1.2 Особенности конструкции контактной сети КС-200, КС 250
Контактная подвеска КС-250 создается на основе технических решений
контактной подвески КС-200 (рисунок 2.2). Подавляющее большинство параметров подвески КС-250 соответствует параметрам КС-200, поэтому адаптация
КС-200 к скорости движения 250 км/ч может быть обеспечена путем выполнения следующих мероприятий:
1. Замена медных контактных проводов (КП) марки 2МФ-120 на бронзовые 2БрФ-120, с обеспечением их натяжения до 2Х18 кН.
2. Замена медных тросов рессорных струн на бронзовые марки BzII-35.
21
3. Подкатка усиливающих проводов (1А-185 или 2А-185) на сопряжениях
анкерных участков (АУ) с разанкеровкой через 3-4 АУ на опорах со средней
анкеровкой несущего троса (НТ).
4. Замена токоведущих нерегулируемых медных струн на аналогичные
регулируемые из провода BzII-16, совмещенные со струновыми скобами.
5. Установка ригелей жестких поперечин (и перенос на них контактных
подвесок обоих путей) при габаритах опор 4,9 и более.
6. Установка дополнительных анкеров и анкерных оттяжек к существующим анкерным опорам. Замена анкерных оттяжек на новые, предназначенные для раздельного крепления НТ и КП на разной высоте и обеспечивающие крепление к двум анкерам.
7. Установка новых опор, фундаментов, анкеров и анкерных оттяжек:
8. Регулировка положения НТ относительно уровня головки рельса (УГР).
9. Замена фарфоровых или стеклянных натяжных и врезных изоляторов
на полимерные.
10. Замена консольных изоляторов КСФ – 70 на КСФ - 100.
11. Замена существующих поперечных и продольных электрических соединителей (ЭС) на новые из провода М-95 или Е-Сu-95f (8WL7075-0).
16. Выполнение прохода НТ и усиливающего провода (УП) в искусственных сооружениях с защитой полимерными чехлами.
17. Замена тросов средних анкеровок НТ (провод М95) на провод ПБСМ95[14].
16 м
16 м
М120
HT=18кН
1,8 м
МФ35
6,75м
5,5м
9*4,5 м
0,05м
2*МФ120
HF=2*12кН
65 м
Рисунок 2.2 – Скоростная контактная подвеска КС – 200
Отметим, что контактная подвеска КС-250 выполняется как с рессорным
тросом, так и без него. Так, на скоростном полигоне Москва – Санкт-
22
Петербург частично используется контактная подвеска КС-250 без рессорного троса, которая в процессе эксплуатации подтвердила обеспечение надежного, качественного и экологичного токосъема.
2.2. Контактные подвески ведущих стран мира
2.2.1. Скоростные контактные подвески, используемые в Германии
Разработке высокоскоростной контактной сети уделялось большое внимание в Германии. Разработанная в этой стране контактная подвеска Re200 (рисунок 2.3, а) состоит из бронзового несущего троса сечением 50 мм2, медного
контактного провода сечением 100 мм2 и бронзовых рессорных тросов сечением 25 мм2, длина которых различна: у опоры с прямым сочлененным фиксатором - 18 м, у опоры с обратным фиксатором – 14 м. Разная длина рессорных
тросов позволила получить одинаковую эластичность подвески у всех консольных опор. На станциях, где применены гибкие поперечины, длина рессорного
троса составляет 18 м.
Максимальная длина пролета принята равной 80 м. Конструктивная высота контактной подвески на перегонах составляет 1,8 м, на станциях (при гибких поперечинах) – 2м. Применены бронзовые струны сечением 10 мм2. Натяжение несущего троса – 10 кН, контактного провода –10 кН, рессорного троса –
2,3 кН. Коэффициент непостоянства эластичности подвески Rе200 равен 1,38.
Контактная подвеска Rе250 (рисунок 2.3, б) явилась следующим этапом
совершенствования одинарных контактных подвесок на железных дорогах
ФРГ. По сравнению с подвеской Rе200 длина пролета уменьшена до 65 м и
применен контактный провод из меди с присадкой 0,1% серебра, имеющий сечение 120 мм2. Были также увеличены натяжения несущего троса до 19 кН и
контактного провода до 15 кН, а длина рессорного троса принята равной 18 м
для опор вне зависимости от конструктивного выполнения фиксаторов. При таких параметрах эластичность подвески в середине пролета длиной 65 м составляет 0,54 мм/Н, а в створе опоры – 0,44 мм/Н. Коэффициент непостоянства эластичности уменьшился до 1,23 (таблица 2.2).Сочлененные фиксаторы, основные стержни которых подвешены к рессорным тросам, обеспечивают возможность подъема контактного провода до 450 мм [15].
23
Во избежание схода полоза токоприемника с контактного провода зигзаг
последнего вместо принятого на Государственных железных дорогах Германии
400 мм уменьшен до 300 мм.
а)
14 м
18 м
1,8 м
3,5 м
2,5 м
б)
80 м
18 м
18 м
BzII70
HT=15кН
BzII10
BzII35
HT=2,8кН
1,8 м
5м
RiS120
HF=15кН
9,17 м
65 м
Рисунок 2.3 – Схемы контактных подвесок, применяемых в Германии:
а) контактная подвеска Re 200; б) контактная подвеска Re 250
Три ведущие немецкие фирмы, специализирующиеся на разработке контактной сети, создали высокоскоростную подвеску Re 330, по которой поезда с
двумя поднятыми токоприемниками могут развивать скорость 300 км/ч.
Подвеска Re 330 является одинарной рессорной подвеской. Контактный
провод марки RiM 120 (состав – CuMg) имеет натяжение 27 кН и располагается
на высоте 5,3 м. Его зигзаг составляет 300 мм. Несущий трос марки Bz II 120
24
имеет натяжение 21 кН. Рессорный трос марки Bz II 35 имеет силу натяжения
3,5 кН и длину 18 м [16,17].
С учетом опыта создания и эксплуатации подвески Re 330 (рисунок 2.4)
разработана новая подвеска SICAT H 1.0 (рисунок 2.5). Исполнение ее аналогично подвеске Re 330, но некоторые параметры имеют отличия.
Таблица 2.2 – Характеристики высокоскоростных контактных подвесок Re200
и Re250
Тип
подвески
Несущий трос
Сечение, Натяжемм2/матер ние, кН
иал
Re200 50/бронза
Re250 50/бронза
Контактный провод
Длина
Сечение,
Натя- пролета,м
2
мм /материал жение,
кН
100/медь
120/медь +
0,1% серебра
10
19
10
15
До 80
65
Коэффициент непостоянства
эластичности
1,38
1,23
В таблице 2.3 дано сравнение параметров подвесок SICAT H 1.0 и Re 330 на
открытых участках.
Для обеспечения необходимой эластичности цепной подвески при длине
пролетов более 50 м необходимо использование рессорного троса. Его длина на
открытых участках увеличена с 18 до 22 м [18,19].
18 м
18 м
BzII120
HT=21кН
BzII10
BzII35
HT=3,5кН
1,8 м
5м
RiM120
HF=120кН
9,17 м
65 м
Рисунок 2.4 – Высокоскоростная контактная подвеска Re -330
Конструктивная высота подвески на открытых участках уменьшена с 1,8 до
1,6 м. Благодаря этому стало возможным устанавливать опоры, укороченные на
20 см. Опыт показал, что уменьшение конструктивной высоты не ухудшило
25
условия прохождения поездов и качество токосъема. Новая подвеска SICAT H
1.0 отвечает всем механическим, электротехническим, динамическим и экологическим требованиям, установленным как федеральным законодательством
Германии, так и Европейской комиссией по транспорту.
Таблица 2.3 – Сравнительные технические характеристики скоростных
контактных подвесок Германии SICAT H 1.0 и Re 330
Параметр
Тип подвески
SICAT H 1.0
Re 330
Контактный провод
Состав, марка
CuMg0,7 RiM 120
Сила натяжения, кН
27
Высота расположения, м
5,3
Зигзаг, м
± 0,3
Несущий трос
Марка
Bz II 35
Сила натяжения, кН
3,5
Длина, м
22
18
Общие данные
Длина пролетов, м
70
65
Системная высота, м
1,6
1,8
Максимальная длина анкерно- 1 400
1 250
го участка, м
Сопряжение анкерных участ- Трехпролетное
Пятипролетное
ков
Длина пролетов в сопряжении, 3  70
2  60 + 51 + 2  60
м
Изолирующее сопряжение
Пятипролетное
Длина пролетов изолирующего 2 * 70 + 62 + 2 * 70
2 * 60 + 2 * 60
сопряжения, м
Материал крепежной арматуры Оцинкованная сталь Алюминиевый
St37/St52
сплав F 31
Материал консоли
F 31
Опоры
центрифугированные бетонные типа NB
По электротехническим показателям подвеска SICAT H 1.0 ничем не отличается от Re 330, по экономическим имеет явные преимущества. Увеличение
длины пролетов и анкерных участков, использование трехпролетного сопряжения уменьшают число консолей, опор, фундаментов, компенсаторов и развернутую длину контактной подвески.
26
Эта подвеска эксплуатируется в настоящее время на линии Кельн –
Рейн/Майн. В перспективе предусматривается использовать подвеску SICAT H
1.0 не только на сети Германии, но и за рубежом.
22 м
22 м
BzII120
HT=21кН
BzII10
BzII35
HT=3,5кН
1,8 м
5м
RiM120
HF=27кН
10
70 м
Рисунок 2.5 - Подвеска SICAT H 1.0 для открытого участка
2.2.2. Скоростные контактные подвески, используемые во Франции
Контактная подвеска на линии Париж—Юго-Восток (Париж—Лион),
рассчитанная на скорости движения до 270—300 км/ч (рисунок 2.6, а), содержит бронзовый несущий трос сечением 65 мм2 с натяжением 14 кН, медный
контактный провод сечением 120 мм2 с натяжением 14 кН и опорные рессорные
струны длиной 15 м, имеющим натяжение 4 кН. Компенсаторы выполнены отдельными для несущего троса и контактного провода и рассчитаны на диапазон
температур от –20 до +60°С. Конструктивная высота равна 1,4 м, расстояния
между струнами в средней части пролета – 6,75 м, а в зоне опор — 4,5 м. Номинальная длина анкерного участка составляет 1400 м.
Вторая высокоскоростная магистраль Национального общества французских железных дорог – линия Атлантик – рассчитана на эксплуатационную
скорость движения 300 км/ч на участках переменного тока и 270 км/ч – постоянного тока. Для этого была создана новая контактная подвеска. Она является
одинарной нерессорной (рисунок 2.6, б) и состоит, из бронзового несущего троса сечением 181 мм2 с натяжением 25 кН и двух медных контактных проводов
сечением по 150 мм2 с натяжением по 20 кН. Натяжение каждого провода осуществляется отдельным компенсатором, рассчитанном на диапазон температур
от –20 до +60°С. Максимальная длина пролета сокращена до 54 м. Выполнен-
27
ные измерения показали, что эластичность новой подвески в середине пролета
длиной 54 м равна 0,21 мм/Н, а в створе опоры – 0,1 мм/Н. Для компенсации
значительной неравномерности эластичности контактный провод подвешивают
с положительной стрелой провеса [20].
На части линии Атлантик, электрифицированной на переменном токе
(рисунок 2.7) напряжением 25 кВ, контактная сеть во многом аналогична подвеске линии Париж–Юго-Восток. Но в ней не использованы рессорные струны.
15 м
а)
15 м
BzII65
HT=14кН
1,4 м
HT=3,5кН
4,5м
2,25м
4,5м
6,5м
Ri120
HF=14кН
63,5 м
BzII181
HT=25кН
б)
1,4 м
3,37м
2,25 м
54 м
2*Ri150
HF=2*20кН
Рисунок 2.6 – Схемы французских высокоскоростных контактных подвесок:
а) – рессорная контактная подвеска переменного тока;
б) – нерессорная контактная подвеска постоянного тока.
28
Вместо этого для улучшения статической характеристики подвески и повышения качества токосъема применен контактный провод увеличенного сечения (150 мм2), соответственно увеличено и натяжение (20 кН). Общее сечение
подвески в медном эквиваленте составляет 186 мм2. Эластичность подвески в
середине пролета длиной 63 м равна 0,46 мм/Н, а у опоры — 0,21 мм/Н. Конструкция компенсатора рассчитана на подъем контактного провода в створе
опоры на 400 мм.
BzII65
HT=14кН
1,4 м
Ri150
HF=20кН
4,5 м
1/1000
63 м
Рисунок 2.7 – Нерессорная контактная подвеска переменного тока
Таблица 2.4 – Характеристики высокоскоростных контактных подвесок
Франции
Тип подвес- Максималь- Несущий трос
Контактный провод
ки
ная скорость сече- Мате- Натя Косече- Натя
движения
ние, риал
желиче- ние, же2
поездов,
мм
ние, ство мм2
ние,
км/ч
кН
кН
Рессорная
Нерессорная постоянного тока
Нерессорная
переменного тока 25 кВ
270-300
270
65
181
Бронза
Бронза
14
25
1
2
120
150
14
2*20
300
-
-
-
1
150
20
Одинарные контактные подвески, примененные на высокоскоростной
линии Атлантик, из-за отсутствия рессорных струн имеют большую неравно-
29
мерность эластичности в пролетах (кэл = 2,1-2,2). При таких статических характеристиках подвески удовлетворительный токосъем удалось обеспечить благодаря не только подвешиванию контактного провода с положительной стрелой
провеса, но и применению токоприемников с очень малой приведенной массой
(токоприемник типа GPU, разработанный фирмой «Фэвлей»).
Таблица 2.5 – Характеристики высокоскоростных нерессорных контактных
подвесок Франции
Тип подвески
Длина проле- Эластичность
та, м
в середине в створе
пролета,
опоры,
мм/Н
мм/Н
Постоянный ток
54
0,21
0,1
Переменный ток,
63
0,46
0,21
25 кВ
Подъем контактного провода в створе
опоры до, мм
300
400
На примере опыта эксплуатации высокоскоростных контактных подвесок
Италии, России, Франции (в 2007 году был установлен мировой рекорд скорости поезда на колесах 574,8 км/ч) можно сделать вывод, что контактные подвески без рессорного троса, применяемые в настоящее время как в этих странах, так во многих других, отвечают всем требованиям высокоскоростного
электрического транспорта и обеспечивают надежный процесс токосъема.
Выводы
1. Произведен анализ известных конструкций контактных подвесок России и ведущих стран мира и выявлено, что для повышения скоростей движения
осуществляется увеличение натяжения контактных проводов и несущих тросов,
используются различные материалы, такие как бронза, серебро, магний и т.д.
2. Ряд европейских стран, таких как Италия, Франция, при повышении
скоростей движения используют контактную подвеску без рессорного троса.