mirtrМир транспортаWorld of Transport and Transportation1992-3252Russian University of Transport (RUT)10.30932/1992-3252-2024-22-1-2mirtr-2679Research ArticleНАУКА И ТЕХНИКАSCIENCE AND ENGINEERINGОпределение механической прочности композитной траверсы для ВЛ 6–10 кВ методом конечных элементовDetermining Mechanical Strength of Composite Traverse for 6-10 kV Overhead Power Line with Finite Element Methodhttps://orcid.org/0000-0001-6955-283XКочуновЮ. А.KochunovYu. A.

Кочунов Юрий Александрович – кандидат технических наук, инженер-конструктор ООО «НПП «ЭЛЕКТРОМАШ».

Екатеринбург

РИНЦ Author ID 890174

Yury A. Kochunov - Ph.D. (Eng), Design Engineer of LLC «NPP Elektromash».

Yekaterinburg

Russian Science Citation Index Author ID: 890174

yukochunov@mail.ruЕгоровД. В.EgorovD. V.

Егоров Дмитрий Викторович – аспирант УрГУПС.

Екатеринбург

РИНЦ Author ID 931760

Dmitry V. Egorov - Ph.D. student at Ural State University of Railway Transport.

Yekaterinburg

Russian Science Citation Index Author ID: 931760

dmitryegorovperm@mail.ruООО «НПП «ЭЛЕКТРОМАШ»РоссияLLC «NPP Elektromash»Russian FederationУральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС)РоссияUral State University of Railway TransportRussian Federation2024181220242211723Copyright © Кочунов Ю.А., Егоров Д.В., 20242024Кочунов Ю.А., Егоров Д.В.Kochunov Y.A., Egorov D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/2679

На воздушных линиях электропередачи напряжением 6–10 кВ, предназначенных для проводов питания устройств сигнализации, централизации и блокировки и линий продольного электроснабжения, в качестве поддерживающих конструкций используются металлические траверсы с фарфоровыми или стеклянными изоляторами. По имеющимся данным, дефекты, вызванные механическими напряжениями, составляют более половины от общего числа нарушений нормальной работы воздушных линий. Из этого числа стоит выделить дефекты, которые являются наиболее частыми: скол изолятора, изгиб штыря, излом штыря, разрушение изолятора, срыв изолятора со штыря, перекос траверсы, разрушение траверсы, изгиб траверсы, загнивание или коррозия траверсы.

С целью повышения надежности воздушных линий и сокращения данных повреждений предлагается изготавливать траверсы из полимерного композитного электроизоляционного материала. Такие траверсы не имеют изоляторов и используются как электромеханическая конструкция, обладающая требуемой механической и электрической прочностью.

Целью данной работы является оценка механической прочности траверс, выполненных из полимерных композитных электроизоляционных материалов. Для реализации поставленных задач в работе рассмотрена трехмерная модель траверсы. Определение ее механической прочности осуществлено с использованием прикладного программного обеспечения, реализующего метод конечных элементов (МКЭ). К траверсе прикладываются нагрузки в горизонтальной и вертикальной плоскостях, определяется наиболее нагруженное напряженно-деформированное состояние стержней траверсы и штыревой накладки.

Кроме того, в статье выполняется сравнение результатов расчета аналитическим методом, выполненного в предыдущей работе, с расчетом МКЭ. Также осуществлена верификация принятых физико-геометрических параметров, свойств материала и допущений в расчетах.

Overhead power lines with a voltage of 6–10 kV, intended for power supply of signalling, centralised traffic control and signalling block systems and of electrical equipment along the railways use as supporting structures metallic traverses with porcelain or glass insulators. According to available data, defects caused by mechanical stresses account for more than half of the total number of disruptions in the normal operation of overhead power lines. It is worth highlighting defects that are the most frequent: chip of the insulator, bend of the pin, fracture of the pin, destruction of the insulator, separation of the insulator from the pin, distortion of the traverse, destruction of the traverse, bending of the traverse, decay or corrosion of the traverse.

To increase the reliability of overhead power lines and reduce these damages, it is proposed to manufacture traverses from polymer composite electrical insulating material. Such traverses do not have insulators and are used as an electromechanical structure with the required mechanical and electrical strength.

The objective of this work is to assess the mechanical strength of traverses made of polymer composite electrical insulating materials. To solve the set tasks, the work considers a three-dimensional model of the traverse. Its mechanical strength is determined using applied software implementing the finite element method (FEM). Loads in horizontal and vertical planes are applied to the cross-arm, the most stress-strained state of the traverse’s arms and the pin bracket is determined.

In addition, the article compares the calculation results using the analytical method performed in the previous work with FEM calculation, verifies the assumed physical and geometric parameters, material properties and assumptions in calculations.

железнодорожный транспортэлектроснабжениетраверсаполимерный композитный материалмеханическая прочностьстерженьнагрузкаметод конечных элементовrailway transportpower supplytraversecrossarmpolymer composite materialmechanical strengthround crossarm (rod)loadfinite element methodReferencesКочунов Ю. А. Разработка и исследования полимерного кронштейна воздушной линии электропередачи в сетях нетяговых железнодорожных потребителей 6–10 Кв / Дисс… канд. техн. наук. – Екатеринбург: УрГУПС, 2017. – 235 с.Kochunov, Yu. A. Development and research of a polymer bracket for overhead power lines in networks of non-traction railway 6–10 kV consumers. Ph.D. (Eng) thesis [Razrabotka i issledovaniya polimernogo kronshteina vozdushnoi linii elektroperedachi v setyakh netyagovykh zheleznodorozhnykh potrebitelei 6–10 kV. Diss. …kand. tekh. nauk]. Yekaterinburg, USURT publ., 2017, 235 p.Лукьянов А. М., Чепелев Ю. Г., Бардин А. Н. Разрабатываем полимерные консоли // Мир транспорта. – 2016. – Т. 14. – № 3 (64). – С. 60–71. EDN: XXJQHV.Lukyanov, A. M., Chepelev, Yu. G., Bardin, A. N. Development of Polymer Consoles. World of Transport and Transportation, 2016, Vol. 14, Iss. 3 (64), pp. 60–71. EDN: XXJQHV.Попов С. Н., Федоров Ю. Ю., Васильев С. В. Составные композитные траверсы для опор высоковольтных линий электропередачи // Энергобезопасность и энергосбережение. – 2016. – № 3. – С. 9–11. EDN: WBGJAL. DOI: 10.18635/2071-2219-2016-3-9-11.Popov, S. N., Fedorov, Yu. Yu., Vasiliev, S. V. Composite crossarms for high-voltage power line poles [Sostavnie kompozitnie traversy dlya opor vysokovoltnykh linii elektroperedachi]. Energobezopasnost i energosberezhenie, 2016, Iss. 3, pp. 9–11. EDN: WBGJAL. DOI: 10.18635/2071-2219-2016-3-9-11.Федотов А. А., Колесников С. А., Хорошевский Р. А. Деревянные кронштейны заменят полимерными // Локомотив. – 2013. – № 3 (675). – С. 43.Fedotov, A. A., Kolesnikov, S. A., Khoroshevsky, R. A. Wooden brackets will be replaced by polymer ones [Derevyannie kronshteiny zamenyat polimernymi]. Lokomotiv, 2013, Iss. 3 (675), p. 43.Федоров Ю. Ю., Попов С. Н., Унжаков А. С. Стеклопластиковые мобильные опоры для линий электропередачи с напряжением до 10 кВ // Энергобезопасность и энергосбережение. – 2023. – № 2. – С. 5–10. EDN: WUZARS.Fedorov, Yu. Yu., Popov, S. N., Unzhakov, A. S. Fiberglass mobile poles for power lines with voltage up to 10 kV [Stekloplastikovie mobilnie opory dlya linii elektroperedachi s napryazheniem do 10 kV]. Energobezopasnost i energosberezhenie, 2023, Iss. 2, pp. 5–10. EDN: WUZARS.Васильев С. В., Федоров Ю. Ю. Разработка композитной траверсы анкерной концевой опоры линии электропередачи 6–10 КВ // Евразийское научное объединение. – 2019. – № 5–2 (51). – С. 108–110. EDN: WNNXVK.Vasiliev, S. V., Fedorov, Yu. Yu. Development of a composite traverse for the anchored end pole of a 6–10 KV power line [Razrabotka kompozitnoi traversy ankernoi kontsevoi opory linii elektroperedachi 6–10 kV]. Eurasian Scientific Association, 2019, Iss. 5–2 (51), pp. 108–110. EDN: WNNXVK.Федоров Ю. Ю., Бабенко Ф. И. Влияние низких температур на поведение предварительно деформированного стеклопластика // Пластические массы. – 2018. – № 1–2. – С. 9–11. EDN: YQUDNT.Fedorov, Yu. Yu., Babenko, F. I. The influence of low temperatures on behaviour of pre-deformed fiberglass [Vliyanie nizkikh temperature na povedenie predvaritelno deformirovannogo stekloplastika]. Plastic masses, 2018, Iss. 1–2, pp. 9–11. EDN: YQUDNT.Кочунов Ю. А., Колмаков Д. А., Егоров Д. В. Аналитическое определение механической прочности композитной траверсы для ВЛ 6–10 кВ // Наука и образование транспорту. – 2022. – № 2. – С. 29–34. EDN: XKWEEF.Kochunov, Yu. A., Kolmakov, D. A., Egorov, D. V. Analytical determination of the mechanical strength of a composite traverse for 6–10 kV overhead power lines [Analiticheskoe opredelenie mekhanicheskoi prochnosti kompozitnoi traversy dlya VL 6–10 kV]. Science and education in transport, 2022, Iss. 2, pp. 29–34. EDN: XKWEEF.Лукьянов А. М. Разработка полимерных изолирующих конструкций, обеспечивающих повышение промышленной безопасности контактных электрических сетей / Дисс… докт. техн. наук. – М.: МГУПС, 1998. – 225 с.Lukyanov, A. M. Development of polymer insulating structures that ensure increased industrial safety of catenary networks. D.Sc. (Eng) thesis [Razrabotka polimernykh izoliruyushchikh konstruktsii, obespechivayushchikh povyshenie promyshlennoi bezopasnosti kontaktnykh elektricheskikh setei. Diss..dokt.tekh.nauk]. Moscow, MGUPS publ., 1998, 225 p.Руцкий В. М. Совершенствование методов проектирования и эксплуатации изоляции наружных электроустановок систем электроснабжения железных дорог / Дисс… докт. техн. наук. – Екатеринбург: УрГУПС, 2004. – 373 с.Rutsky, V. M. Improvement of methods for design and operation of insulation of external electrical installations of railway power supply systems. D.Sc. (Eng) thesis [Sovershenstvovanie metodov proektirovaniya i ekspluatatsii izolyatsii naruzhnykh elektroustanovok sistem elektrosnabzheniya zheleznykh dorog. Diss. … dok. tekh. nauk]. Yekaterinburg, USURT publ., 2004, 373 p.Лизин В. Т., Пяткин В. А. Проектирование тонкостенных конструкций – М.: Машиностроение, 1976. – 408 с.Lizin, V. T., Pyatkin, V. A. Design of thin-walled structures [Proektirovanie tonkostennykh konstruktsii]. Moscow, Mashinostroenie publ., 1976, 408 p.Турбин Н. В., Трифонов Р. Д., Ковтунов С. С. Моделирование смятия композиционного материала методами вычислительной микромеханики // II Международная конференция «Композитные материалы и конструкции». 16 ноября 2021 года. Москва. Тезисы. – М.: Изд-во «Перо», 2021. – С. 88–89. EDN: FJNDYO.Turbin, N. V., Trifonov, R. D., Kovtunov, S. S. Simulation of collapse of a composite material using computational micromechanics methods [Modelirovanie smyatiya kompozitsionnogo materiala metodami vychislitelnoi mikromekhaniki]. II International Conference «Composite Materials and Structures». November 16, 2021. Moscow. Abstract. Moscow, Pero publ., 2021, pp. 88–89. EDN: FJNDYO.Пелевин А. Г., Шадрин В. В. Особенности использования модели вязкоупругого материала в программном комплексе ANSYS // Вестник Пермского университета Математика. Механика. Информатика. – 2021.– № 3 (54). – С. 52–57. DOI: https://doi.org/10.17072/1993-0550-2021-3-52-57.Pelevin, A. G., Shadrin, V. V. Features of using the viscoelastic material model in the ANSYS software package. Bulletin of Perm University. Mathematics. Mechanics. Computer Science, 2021, Iss. 3 (54), pp. 52–57. DOI: https://doi.org/10.17072/1993-0550-2021-3-52-57.Крылов К. А., Мурзаханов Г. Х., Щугорев В. Н. Экспериментальное исследование разрушения композитов при динамическом нагружении // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. – 2007. – № 10. – Ст. 1. EDN: IBZWYT.Krylov, K. A., Murzakhanov, G. Kh., Shchugorev, V. N. Experimental study of destruction of composites under dynamic loading [Eksperimentalnoe issledovanie razrusheniya kompozitov pri dinamicheskom nagruzhenii]. [Electronic resource]. Science and education: scientific publication of Bauman MSTU, 2007, Iss. 10, p. 1. EDN: IBZWYT.Каблов Е. Н. Композиты: сегодня и завтра // Металлы Евразии. – 2015. – № 1. – С. 36–39. EDN: UBDOPV.Kablov, E. N. Composites: today and tomorrow [Kompozity: segodnya i zavtra]. Metally Evrazii, 2015, Iss. 1, pp. 36–39. EDN: UBDOPV.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.