Уcтрoйcтвo для пoдавления автoкoлебаний кoнтактнoй пoдвеcки
Автoры: Паранин Алекcандр Виктoрoвич, Галкин Алекcандр Геннадьевич, Ефимoв Алекcандр Ваcильевич
Изoбретение oтнocитcя к уcтрoйcтвам электрocнабжения транcпoртных cредcтв, coдержащим кoнтактные провода, вcпомогательные уcтройcтва для них, уcтройства демпфирования механических колебаний проводов и может быть использовано для подавления автоколебаний контактной подвески. Контактная подвеска оборудована устройством, создающим усилия, препятствующие развитию автоколебаний, содержащим аэродинамический стабилизатор, который выполнен объемным, длиной 1,5-2,5 м, состоящим из двух частей, герметично соединенных друг с другом. Нижняя часть стабилизатора имеет вогнутую форму, верхняя часть - плоскую форму. Внутри нижней части аэродинамического стабилизатора по всей длине установлены поперечные ребра, прикрепленные к верхнему краю нижней части аэродинамического стабилизатора, а вдоль его горизонтальной оси нижней части расположены продольные ребра, соединенные друг с другом перемычками. На наружной поверхности нижней части аэродинамического стабилизатора установлены два штока, верх которых жестко соединен с его наружной поверхностью, а низ выполнен с возможностью закрепления штоков в стандартных фиксаторных зажимах. Верхняя часть аэродинамического стабилизатора соединена с нижней частью и имеет по всей длине приваренные к ней проушины, в которых закреплены струны, верхними концами соединяющиеся со стандартными струновыми зажимами. Аэродинамический стабилизатор установлен в пролете контактной подвески вдоль контактного провода. Технический результат заключается в повышении эффективности подавления автоколебаний подвески. 5 ил.
Изобретение относится к линиям электроснабжения, контактирующим с токоприемниками транспортных средств, а именно контактные провода, вспомогательные устройства для них, устройства демпфирования механических колебаний проводов, и может быть использовано для подавления автоколебаний контактной подвески.
Известен использующийся в настоящее время на железных дорогах успокоитель автоколебаний проводов (Смирнов А.С. Успокоитель автоколебаний проводов. - Дорожная электротехническая лаборатория, 1985), выполненный из двух изоляторов старого типа П - 4,5, ПФ - 6, закрепленных с помощью седла на несущем тросе и увеличивающих его натяжение.
Недостатком устройства является то, что при автоколебаниях контактной подвески успокоитель может вращаться вокруг несущего троса в вертикальной плоскости, вследствие чего происходит усиление автоколебаний.
Известны способы подавления автоколебаний контактной подвески (Беляев И.А., Чекулаев В.Е. Предупреждение автоколебаний контактных проводов. // Ж.д. транспорт. - Сер: «Электроснабжение железных дорог». - ЦНИИТЭН МПС, 1999. - Вып.1-2. - С.14-22), включающие, в частности, создание собственных колебаний контактных проводов раскачиванием проводов вручную.
Известен способ уменьшения автоколебаний контактных проводов (Горошков Ю.И., Гуков А.И. Ветроустойчивость контактной сети. - М.: Транспорт, 1969. - С.120), включающий создание собственных колебаний проводов с помощью пружины, помещенной в цилиндр с поршнем, который закреплен на струне в средней части пролета и создающий демпфирующие механические колебания.
Недостатком является то, что со временем детали приспособления изнашиваются (визуально это определить невозможно) и создаваемые приспособлением колебания не будут совпадать с автоколебаниями контактных проводов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является аэродинамический стабилизатор (Беляев И.А., Вологин В.А. Взаимодействие токоприемников и контактной сети. - М.: Транспорт, 1983. - С.125-126, рис.80, а, 6, в), представляющий собой узкие длинные пластины, прикрепленные к проводам.
Недостатком устройства является невозможность его установки на контактном проводе, следовательно, невозможность погасить автоколебания последнего.
Цель изобретения - повышение эффективности подавления автоколебаний контактной подвески.
Указанная цель достигается тем, что контактная подвеска оборудована устройством, создающим усилия, препятствующие развитию автоколебаний.
Сущность изобретения заключается в том, что аэродинамический стабилизатор выполнен объемным, длиной 1,5-2,5 м, состоящим из двух частей, герметично соединенных друг с другом, нижняя часть имеет вогнутую форму, верхняя часть плоскую форму, внутри нижней части аэродинамического стабилизатора по всей длине установлены на равном расстоянии друг от друга поперечные ребра, прикрепленные к верхнему краю нижней части аэродинамического стабилизатора, а вдоль горизонтальной оси нижней части аэродинамического стабилизатора расположены параллельно друг другу продольные ребра, соединенные друг с другом перемычками, на наружной поверхности нижней части аэродинамического стабилизатора установлены два штока, верх которых жестко соединен с наружной поверхностью аэродинамического стабилизатора, а низ выполнен с возможностью закрепления штоков в стандартных фиксаторных зажимах, верхняя часть аэродинамического стабилизатора соединена с нижней частью сваркой и имеет по всей длине не менее чем три пары приваренных к ней проушин, в которых закреплены струны, верхними концами соединяющиеся со стандартными струновыми зажимами, при этом аэродинамический стабилизатор устанавливают в пролете контактной подвески вдоль контактного провода таким образом, чтобы исключить возможность его соприкосновения с токоприемником и дополнительно прикрепляют его к несущему тросу струнами.
На фиг.1 и 2 представлена схема устройства для подавления автоколебаний контактной подвески, включающего аэродинамический стабилизатор 1, состоящий из нижней части 2, верхней части 3, поперечных ребер 4 и продольных ребер 5 в нижней части, штоков 6, проушин 7, стандартных фиксаторных зажимов 8, струн 9, стандартных струновых зажимов 10, контактного провода 11, несущего троса 12, а на фиг.3, 4, 5 - схемы воздействия воздушного потока в зависимости от формы сечения контактного провода 11.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Силы, поддерживающие колебания, возникают в результате самих колебаний, при этом автоколебательная система сама управляет поступлением энергии извне, избыток которой идет на дальнейшее развитие колебаний. Равновесие наступает тогда, когда приток энергии становится равным энергии, затрачиваемой на работу силами сопротивления колебательной системы. С наступлением энергетического равновесия системы устанавливается определенная амплитуда колебаний, которая поддерживается до тех пор, пока не изменятся внешние условия.
Автоколебания вызываются аэродинамическими силами, возникающими при обтекании воздушным потоком проводов, получивших в результате износа или гололедных отложений неправильную форму сечения. Закон изменения аэродинамических сил в зависимости от угла атаки α ветрового потока имеет сложный характер, особенно когда сечение провода значительно отличается от круглой формы. Если сечение провода близко к круглому, то кривая зависимости коэффициента подъемной силы Y от угла атаки α приближается к наклонной прямой, проходящей через начало координат. Положительным углам атаки отвечают положительные значения подъемной силы Y, отрицательным - соответственно отрицательные значения подъемной силы Y (фиг.3). Здесь, как и во всех случаях, рассматриваемых далее, значения аэродинамических сил даются в координатах провода, а не воздушного потока. Значения угла атаки α принимают положительными при направлении оси воздушного потока снизу по отношению к оси абсцисс профиля провода. Значения подъемной силы Y принимают положительными при направлении сил снизу вверх.
Если сечение провода не является круглым, особенно, если на поверхности, направленной против ветра, имеются острые грани, то приведенная на фиг.3 зависимость нарушается. Обтекание такого провода воздушным потоком будет иным (фиг.4).
В нижней части сечения (фиг.4) воздушный поток тесно прилегает к поверхности провода, линии тока воздушного потока сгущены и скорость воздушного потока увеличена, что приводит к понижению давления в этой зоне. К верхней части сечения провода прилегает вихревая зона воздушного потока, давление в которой приближается к атмосферному. В результате такого распределения давлений по поверхности провода возникает вертикальная составляющая равнодействующей этих давлений, направленная сверху вниз. При этом кривая зависимости подъемной силы Y от угла атаки α может иметь вид, представленый на фиг.5. В зоне, прилегающей к оси ординат, кривая зависимости подъемной силы Y от угла атаки α-Y(α) имеет два участка, на которых при положительных углах атаки α возникают отрицательные подъемные силы Y и, наоборот, при отрицательных углах атаки !!!!- положительные подъемные силы Y (Марквардт К.Г., Власов И.И. Контактная сеть. Учебник для вузов ж.-д. транс. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1977. - С.119-123, рис.6.18-6.20).
Таким образом, чтобы предотвратить автоколебания провода необходимо, чтобы аэродинамические подъемные силы Y, возникающие в процессе колебаний, действовали в направлении, противоположном направлению перемещения провода, то есть аэродинамическая характеристика должна соответствовать представленной на фиг.3.
Предлагаемый аэродинамический стабилизатор 1 позволяет получить такую аэродинамическую характеристику. Форма нижней части 2 в сочетании с верхней частью 3 позволяет выполнить аэродинамический стабилизатор 1 объемным и герметичным. Так как аэродинамический стабилизатор 1 устанавливают в пролете контактной подвески на контактном проводе 11, то вес должен быть минимальным, поэтому аэродинамический стабилизатор 1 изготовлен тонкостенным с поперечными 4 и продольными 5 ребрами, придающими ему жесткость. На контактный провод 11 аэродинамический стабилизатор 1 устанавливается при помощи штоков 6 и стандартных фиксаторных зажимов 8. Кроме того, чтобы придать дополнительную устойчивость аэродинамическому стабилизатору 1 и частично уменьшить нагрузку от его веса на контактный провод 11, аэродинамический стабилизатор 1 прикрепляют к несущему тросу 12 при помощи струн 9, продетых в проушины 7, которые расположены на верхней части 3 аэродинамического стабилизатора 1 и верхними концами соединяющиеся со стандартными струновыми зажимами 10.
Аэродинамический стабилизатор 1 имеет при небольших углах атаки α характеристику подъемной силы Y, близкую к характеристике провода круглого сечения и проходящую через ноль системы координат. При этом подъемная сила Y, действующая на аэродинамический стабилизатор, при автоколебаниях контактной подвески будет действовать в сторону, противоположную подъемной силе проводов, имеющих аэродинамически неустойчивое сечение с характеристикой на фиг.5.
Значение подъемной силы, действующей на один метр провода, и аэродинамического стабилизатора в воздушном потоке Y(α) определяется из выражения:
Y(α)=q·L·cy,
где q - скоростной напор невозмущенного потока, Па;
L - характерный размер тела, м;
cy - аэродинамический коэффициент подъемной силы (Краснов Н.Ф. Аэродинамика. Ч 1. Аэродинамика профиля и крыла: Учебник для втузов. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: Высш. школа, 1976. - С.33).
Аэродинамический коэффициент cy зависит от угла атаки и в определенном масштабе повторяет характеристику действия самой подъемной силы Y от угла атаки α . Скоростной напор ветра q зависит только от плотности и скорости воздуха и не зависит от формы обтекаемого тела. Поэтому для провода, имеющего неустойчивое аэродинамическое сечение с характеристикой, изображенной на фиг.5, и аэродинамического стабилизатора с характеристикой, близкой к представленной на фиг.3, он одинаков. Характерным размером тела L для провода является его диаметр, для аэродинамического стабилизатора 1 - принимают его ширину, так как форма предлагаемого аэродинамического стабилизатора 1 приближена к форме крыла, а для крыла характерным размером L является его ширина (Краснов Н.Ф. Аэродинамика. Ч 1. Аэродинамика профиля и крыла: Учебник для втузов. Изд. 2-е перераб. и доп., М.: Высш. школа, 1976. - С.35-36), которая существенно больше диаметра провода. Вследствие больших размеров аэродинамического стабилизатора 1 по сравнению с проводом, имеющим неустойчивое аэродинамическое сечение, подъемная сила одного метра аэродинамического стабилизатора 1, препятствующая автоколебаниям, существенно превышает подъемная силу, развивающую автоколебания у одного метра провода, имеющего неустойчивое аэродинамическое сечение, при любых углах атаки α . Аэродинамический стабилизатор 1 подавляет колебания на участке, превышающем его длину в несколько раз. Количество аэродинамических стабилизаторов в пролете контактной подвески определяется экспериментально или расчетным путем.
Таким образом, предлагаемое устройство предотвращает механизм развития, и поэтому повышает эффективность подавления автоколебаний контактной подвески.
Изобретение относится к линиям электроснабжения, контактирующим с токоприемниками транспортных средств, а именно контактные провода, вспомогательные устройства для них, устройства демпфирования механических колебаний проводов, и может быть использовано для подавления автоколебаний контактной подвески.
Известен использующийся в настоящее время на железных дорогах успокоитель автоколебаний проводов (Смирнов А.С. Успокоитель автоколебаний проводов. - Дорожная электротехническая лаборатория, 1985), выполненный из двух изоляторов старого типа П - 4,5, ПФ - 6, закрепленных с помощью седла на несущем тросе и увеличивающих его натяжение.
Недостатком устройства является то, что при автоколебаниях контактной подвески успокоитель может вращаться вокруг несущего троса в вертикальной плоскости, вследствие чего происходит усиление автоколебаний.
Известны способы подавления автоколебаний контактной подвески (Беляев И.А., Чекулаев В.Е. Предупреждение автоколебаний контактных проводов. // Ж.д. транспорт. - Сер: «Электроснабжение железных дорог». - ЦНИИТЭН МПС, 1999. - Вып.1-2. - С.14-22), включающие, в частности, создание собственных колебаний контактных проводов раскачиванием проводов вручную.
Известен способ уменьшения автоколебаний контактных проводов (Горошков Ю.И., Гуков А.И. Ветроустойчивость контактной сети. - М.: Транспорт, 1969. - С.120), включающий создание собственных колебаний проводов с помощью пружины, помещенной в цилиндр с поршнем, который закреплен на струне в средней части пролета и создающий демпфирующие механические колебания.
Недостатком является то, что со временем детали приспособления изнашиваются (визуально это определить невозможно) и создаваемые приспособлением колебания не будут совпадать с автоколебаниями контактных проводов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является аэродинамический стабилизатор (Беляев И.А., Вологин В.А. Взаимодействие токоприемников и контактной сети. - М.: Транспорт, 1983. - С.125-126, рис.80, а, 6, в), представляющий собой узкие длинные пластины, прикрепленные к проводам.
Недостатком устройства является невозможность его установки на контактном проводе, следовательно, невозможность погасить автоколебания последнего.
Цель изобретения - повышение эффективности подавления автоколебаний контактной подвески.
Указанная цель достигается тем, что контактная подвеска оборудована устройством, создающим усилия, препятствующие развитию автоколебаний.
Сущность изобретения заключается в том, что аэродинамический стабилизатор выполнен объемным, длиной 1,5-2,5 м, состоящим из двух частей, герметично соединенных друг с другом, нижняя часть имеет вогнутую форму, верхняя часть плоскую форму, внутри нижней части аэродинамического стабилизатора по всей длине установлены на равном расстоянии друг от друга поперечные ребра, прикрепленные к верхнему краю нижней части аэродинамического стабилизатора, а вдоль горизонтальной оси нижней части аэродинамического стабилизатора расположены параллельно друг другу продольные ребра, соединенные друг с другом перемычками, на наружной поверхности нижней части аэродинамического стабилизатора установлены два штока, верх которых жестко соединен с наружной поверхностью аэродинамического стабилизатора, а низ выполнен с возможностью закрепления штоков в стандартных фиксаторных зажимах, верхняя часть аэродинамического стабилизатора соединена с нижней частью сваркой и имеет по всей длине не менее чем три пары приваренных к ней проушин, в которых закреплены струны, верхними концами соединяющиеся со стандартными струновыми зажимами, при этом аэродинамический стабилизатор устанавливают в пролете контактной подвески вдоль контактного провода таким образом, чтобы исключить возможность его соприкосновения с токоприемником и дополнительно прикрепляют его к несущему тросу струнами.
На фиг.1 и 2 представлена схема устройства для подавления автоколебаний контактной подвески, включающего аэродинамический стабилизатор 1, состоящий из нижней части 2, верхней части 3, поперечных ребер 4 и продольных ребер 5 в нижней части, штоков 6, проушин 7, стандартных фиксаторных зажимов 8, струн 9, стандартных струновых зажимов 10, контактного провода 11, несущего троса 12, а на фиг.3, 4, 5 - схемы воздействия воздушного потока в зависимости от формы сечения контактного провода 11.
Силы, поддерживающие колебания, возникают в результате самих колебаний, при этом автоколебательная система сама управляет поступлением энергии извне, избыток которой идет на дальнейшее развитие колебаний. Равновесие наступает тогда, когда приток энергии становится равным энергии, затрачиваемой на работу силами сопротивления колебательной системы. С наступлением энергетического равновесия системы устанавливается определенная амплитуда колебаний, которая поддерживается до тех пор, пока не изменятся внешние условия.
Автоколебания вызываются аэродинамическими силами, возникающими при обтекании воздушным потоком проводов, получивших в результате износа или гололедных отложений неправильную форму сечения. Закон изменения аэродинамических сил в зависимости от угла атаки α ветрового потока имеет сложный характер, особенно когда сечение провода значительно отличается от круглой формы. Если сечение провода близко к круглому, то кривая зависимости коэффициента подъемной силы Y от угла атаки α приближается к наклонной прямой, проходящей через начало координат. Положительным углам атаки отвечают положительные значения подъемной силы Y, отрицательным - соответственно отрицательные значения подъемной силы Y (фиг.3). Здесь, как и во всех случаях, рассматриваемых далее, значения аэродинамических сил даются в координатах провода, а не воздушного потока. Значения угла атаки α принимают положительными при направлении оси воздушного потока снизу по отношению к оси абсцисс профиля провода. Значения подъемной силы Y принимают положительными при направлении сил снизу вверх.
В нижней части сечения (фиг.4) воздушный поток тесно прилегает к поверхности провода, линии тока воздушного потока сгущены и скорость воздушного потока увеличена, что приводит к понижению давления в этой зоне. К верхней части сечения провода прилегает вихревая зона воздушного потока, давление в которой приближается к атмосферному. В результате такого распределения давлений по поверхности провода возникает вертикальная составляющая равнодействующей этих давлений, направленная сверху вниз. При этом кривая зависимости подъемной силы Y от угла атаки α может иметь вид, представленый на фиг.5. В зоне, прилегающей к оси ординат, кривая зависимости подъемной силы Y от угла атаки α-Y(α) имеет два участка, на которых при положительных углах атаки α возникают отрицательные подъемные силы Y и, наоборот, при отрицательных углах атаки !!!!- положительные подъемные силы Y (Марквардт К.Г., Власов И.И. Контактная сеть. Учебник для вузов ж.-д. транс. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1977. - С.119-123, рис.6.18-6.20).
Таким образом, чтобы предотвратить автоколебания провода необходимо, чтобы аэродинамические подъемные силы Y, возникающие в процессе колебаний, действовали в направлении, противоположном направлению перемещения провода, то есть аэродинамическая характеристика должна соответствовать представленной на фиг.3.
Предлагаемый аэродинамический стабилизатор 1 позволяет получить такую аэродинамическую характеристику. Форма нижней части 2 в сочетании с верхней частью 3 позволяет выполнить аэродинамический стабилизатор 1 объемным и герметичным. Так как аэродинамический стабилизатор 1 устанавливают в пролете контактной подвески на контактном проводе 11, то вес должен быть минимальным, поэтому аэродинамический стабилизатор 1 изготовлен тонкостенным с поперечными 4 и продольными 5 ребрами, придающими ему жесткость. На контактный провод 11 аэродинамический стабилизатор 1 устанавливается при помощи штоков 6 и стандартных фиксаторных зажимов 8. Кроме того, чтобы придать дополнительную устойчивость аэродинамическому стабилизатору 1 и частично уменьшить нагрузку от его веса на контактный провод 11, аэродинамический стабилизатор 1 прикрепляют к несущему тросу 12 при помощи струн 9, продетых в проушины 7, которые расположены на верхней части 3 аэродинамического стабилизатора 1 и верхними концами соединяющиеся со стандартными струновыми зажимами 10.
Аэродинамический стабилизатор 1 имеет при небольших углах атаки α характеристику подъемной силы Y, близкую к характеристике провода круглого сечения и проходящую через ноль системы координат. При этом подъемная сила Y, действующая на аэродинамический стабилизатор, при автоколебаниях контактной подвески будет действовать в сторону, противоположную подъемной силе проводов, имеющих аэродинамически неустойчивое сечение с характеристикой на фиг.5.
Значение подъемной силы, действующей на один метр провода, и аэродинамического стабилизатора в воздушном потоке Y(α) определяется из выражения:
Y(α)=q·L·cy,
где q - скоростной напор невозмущенного потока, Па;
L - характерный размер тела, м;
cy - аэродинамический коэффициент подъемной силы (Краснов Н.Ф. Аэродинамика. Ч 1. Аэродинамика профиля и крыла: Учебник для втузов. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: Высш. школа, 1976. - С.33).
Аэродинамический коэффициент cy зависит от угла атаки и в определенном масштабе повторяет характеристику действия самой подъемной силы Y от угла атаки α . Скоростной напор ветра q зависит только от плотности и скорости воздуха и не зависит от формы обтекаемого тела. Поэтому для провода, имеющего неустойчивое аэродинамическое сечение с характеристикой, изображенной на фиг.5, и аэродинамического стабилизатора с характеристикой, близкой к представленной на фиг.3, он одинаков. Характерным размером тела L для провода является его диаметр, для аэродинамического стабилизатора 1 - принимают его ширину, так как форма предлагаемого аэродинамического стабилизатора 1 приближена к форме крыла, а для крыла характерным размером L является его ширина (Краснов Н.Ф. Аэродинамика. Ч 1. Аэродинамика профиля и крыла: Учебник для втузов. Изд. 2-е перераб. и доп., М.: Высш. школа, 1976. - С.35-36), которая существенно больше диаметра провода. Вследствие больших размеров аэродинамического стабилизатора 1 по сравнению с проводом, имеющим неустойчивое аэродинамическое сечение, подъемная сила одного метра аэродинамического стабилизатора 1, препятствующая автоколебаниям, существенно превышает подъемная силу, развивающую автоколебания у одного метра провода, имеющего неустойчивое аэродинамическое сечение, при любых углах атаки α . Аэродинамический стабилизатор 1 подавляет колебания на участке, превышающем его длину в несколько раз. Количество аэродинамических стабилизаторов в пролете контактной подвески определяется экспериментально или расчетным путем.
Таким образом, предлагаемое устройство предотвращает механизм развития, и поэтому повышает эффективность подавления автоколебаний контактной подвески.
