Конструкция токоприемников для верхнего контактного провода

На э. н. с. железных дорог применяют многошарнирные симметричные и асимметричные рычажные токоприемники (пантографы). По току их подразделяют на токоприемники серий Т и Л. Токоприемники Т предназначены для электровозов постоянного тока; они допускают длительно ток до 2200 А при движении, до 300 А при стоянке в зимних условиях и 160 А в летних.

Токоприемники серии Л используют на электровозах переменного тока и электропоездах постоянного и переменного тока. При движении их продолжительный ток составляет не менее 500 А, при стоянке в зимних условиях — до 80 А и в летних — до 50 А. Наибольший снимаемый ток за 1 мин не должен быть более 1,4 тока продолжительного режима. Токоприемники обоих типов обычного исполнения должны работать при скоростях до 160 км/ч.

Наиболее распространены симметричные токоприемники (пантографы). Такой токоприемник (рис. 8.5) представляет собой многорычажный механизм из шарнирно-сочлененных трубчатых рам, составленных в виде разомкнутого внизу ромба. Верхние рамы 3 и нижние 1 выполнены из тонкостенных бесшовных стальных труб. Одна с другой рамы соединены шарнирами 2, на верхних шарнирах с помощью специальных пружинных устройств — кареток — закреплены контактные полозы 4. Нижние рамы жестко скреплены с валами 7, поворачивающимися в подшипниках 6. Подъем токоприемника и контактное нажатие на провод с силой Fк происходят под действием пружин 5, сила которых передается рамам 1 через кронштейны 9. Для выравнивания наклона рамы 1 соединены уравнительными тягами 10 и 8.

Полоз токоприемника. Полоз выполняют со сменными накладками или вставками — деталями, осуществляющими непосредственный контакт с контактным проводом. Эти детали необходимо изготовлять из материала с малым удельным сопротивлением, стойкого к образованию дуги, обладающего достаточной износостойкостью и одновременно обеспечивающего минимальный износ контактного провода.

В разное время делались попытки выполнять эти детали из алюминия или стали, однако положительных результатов они не дали. Широкое распространение на токоприемниках магистрального э.п.с, особенно серии Т, получили накладки из твердотянутой медной полосы специального профиля, по техническим показателям близкие к материалу контактного провода.

Рис. 8.5. Схема симметричного токоприемника для верхнего токосъема

Однако применение в узле трения однородного материала неблагоприятно по антифрикционным свойствам. К тому же трудно обеспечить надежное устойчивое смазывание, а «наволакивание» меди по рабочей поверхности провода добавляет к его фрикционному износу еще и электроэрозионный.

Рассмотрим конструкцию полоза с медными накладками (рис. 8.6). Полозы 1 выполняют из листовой стали с антикоррозионным покрытием (оцинковкой). Накладки 2 из профильной медной полосы отдельными секциями закрепляют на полозе латунными винтами 3 с гайками 5 и пружинными шайбами 4. Число накладок в его средней части, где их износ больше, увеличивают. Конструкция полоза для токоприемников серии Т аналогична, но число накладок по ширине здесь увеличивают. Пространство между ними заполняют смазывающим материалом.

С целью снижения износа контактного провода применяют накладки из «самосмазывающейся» металлокерамики на основе меди с высоким содержанием графита или угольные вставки. Износ провода при металлокерамических накладках выше, чем при угольных вставках (рис. 8.7). Однако угольные вставки имеют относительно высокое удельное сопротивление (15—30 Ом-мм²/м).

Рис. 8.6. Полоз токоприемников с медными накладками (а), разрез полоза токоприемника серии Л (б) и разрез полоза токоприемника серии Т (в)

Это обусловливает значительную мощность потерь в месте контакта, значительные превышения температуры, что может привести к пережогу провода. Вставки -можно' применять в токоприемниках обеих серий, нo используя их в токоприемниках типа Т, надо повышать чувствительность и быстродействие токовой защиты.

Угольные вставки быстро изнашиваются и разрушаются при неровностях поверхности провода или его загрязнении. На одних и тех же участках нельзя эксплуатировать одновременно токоприемники с медными накладками и угольными вставками.

По конструкции полоз 1 с угольными вставками (рис. 8.8) не отличается существенно от полоза с медными накладками. Для крепления вставок 2 дополнительно предусмотрены крепежные полосы 4, захватывающие опорные выступы вставок. В устройства крепления входят также крепежные скобы 3, расположенные в местах стыковки отдельных частей вставок. Они упруго затягиваются болтами 5. Вставки должны плотно прилегать к поверхности полоза; для предотвращения коррозии опорные поверхности смазывают консистентной смазкой.

Известны и другие способы крепления угольных вставок. Например, вставки вдвигают в держатель (часть полоза) с торца (рис. 8.8, в). В зарубежной практике такой способ применяют довольно часто.

Рис. 8.7. Годовой износ контактного провода при контактах токоприемников из меди (1), металлокерамики (2) и угля (3) в зависимости от частоты следования поездов в сутки

Каретки. Полозы укреплены на каретках, которые должны допускать их перемещения независимо от положения верхнего шарнира токоприемника. Это улучшает динамические свойства токоприемников. В случае приложения к центру полозов силы, равной пассивному статическому нажатию, их перемещение должно быть не менее 30 % полного перемещения. Для полного соприкосновения полозов с контактным проводом необходима возможность их свободного поворота в каждую сторону не менее чем на 5—7°.

Из большого числа вариантов кареток можно выделить наиболее характерные (рис. 8.9). Опыт эксплуатации и проведенные исследования показали, что на конструкцию верхнего узла токоприемника существенно влияет устройство контактной сети. Так, контактному проводу площадью сечения менее 85 мм² при высокой эластичности контактной сети наиболее соответствуют каретки с небольшим свободным поворотом каждого полоза без горизонтального перемещения. Они рассчитаны на «обтекание» контактной поверхности проводом. При большей жесткости контактной сети, особенно при двух контактных проводах, такие каретки работают недостаточно устойчиво. В этом случае каретки должны допускать горизонтальные перемещения каждого полоза, предусматривать их достаточно большой свободный поворот — до 5—10° в каждую сторону. Этим условиям больше отвечают конструкции, приведенные на рис. 8.9, а, г.

Однако при угольных вставках по условиям нагревания желательно, чтобы расстояние между ними по ходу э. п. с. было как можно больше. Этому больше отвечает, конструкция, приведенная на рис. 8.9, б. При всех условиях должна предусматриваться некоторая самоустанавливаемость каждого полоза в плоскости, перпендикулярной направлению движения, что достигается введением вертикальных эластичных элементов представленной на рис. 8.5.

Рис. 8.8. Полоз с угольными вставками токоприемниками Л (а), его разрез (б), вставка с алюминиевым (в) и стальным (г) держателями

Конструкции токоприемников для э. п. с. железных дорог соответствуют принципиальной схеме, представленной на рис. 8.5. Рассмотрим токоприемник типа Т-5М1 (рис. 8.10), широко применяемый на электровозах постоянного тока. Он рассчитан больше на работу преимущественно в условиях тяжелых грузовых поездов и имеет полозы с медными наделками. Конструкция подвижных частей облегчена за счет применения высокопрочных тонкостенных стальных труб для верхних рам 4 и конусных сварных также тонкостенных труб для нижних рам 6.

Рис. 8.9. Каретки токоприемников Л-13У, (a), 2SIS-1 (б), ДЖ-5 (в), Т-ЗЛ (г):

1 - основание каретки; 2 - поперечные стержни; 3 - серьга; 4 - планка; 5 - пружина; 6 - коромысло: 7 - ось; 8 - полоз; 9 - подвеска пружины; 10 - направляющая трубка; 11 - направляющая крышка

Рис. 8.10. Токоприемник Т-5М1:

1 - каретка; 2 - полоз; 3 - привод; 4 - верхняя рама;.5 - тяга: 6 - нижняя рама; 7 - основанис; 8 - редукционый клапан; 9 - пружина подъемная; 10 - опорный буфер; 11 - кожух пружины

В отечественной практике для улучшения аэродинамических свойств и снижения массы токоприемников перешли от пространственных нижних рам к плоскостным, сохраняя симметричную форму токоприемников. У такого токоприемника серии Л (рис. 8.11) нижняя рама 2 представляет собой трубу, жестко соединенную с валом 11. При такой форме не только снижается воздействие аэродинамических сил, но также и масса токоприемника.

В зарубежной практике широкое распространение получили асимметричные токоприемники (рис. 8.12). В первоначальном варианте такая конструкция представляла собой ромб, одна из сторон которого была повернута относительно вертикальной оси на 180°; предполагалось также перейти от пространственной конструкции к плоскостной хотя бы для нижних рам. При этом за счет меньших завихрений улучшались аэродинамические качества токоприемников. В дальнейшем конструкция была несколько упрощена (рис. 8.12, а). Первоначально токоприемники этого тина были разработаны специально для высокоскоростного э.п.с. (до скоростей 250 км/ч); вследствие хороших массогабаритных показателей и ряда других положительных качеств они в дальнейшем получили широкое распространение на э. п. с. различных видов и для любых скоростей движения.

Рассмотрим один из асимметричных токоприемников, предназначенный для электровозов переменного тока (рис. 8.13, б; нумерация основных частей соответствует их нумерации в схеме рис. 8.12, а). Каретки полоза 1 упруго укреплены на стержнях 2, соединенных шарнирно с верхней рамой 3. Рама 3 в нижней части заканчивается поперечным кронштейном 4, расположенным к ее оси под углом а и шарнирно сочлененным с рычагами 5 и 6. В некоторых вариантах конструкции эти соединения выполняют несколько иначе (рис. 8.12, б), что не меняет принципа действия. Нижний конец рычага 6 шарнирно закреплен в точке О ₁, основания, конец рычага 5 жестко скреплен с поворотным валом 10, который в подшипниках основания поворачивается относительно оси О₂. Кронштейн 7 соединен с пружиной 8, поворачивающей трубчатый рычаг 5 по часовой стрелке, в результате чего создается нажатие полоза / на провод. Для придания полозу или полозам постоянного горизонтального положения и стержням 2 приблизительно вертикального их нижние точки соединяют тягой 9 шарнирно с рычагом 6. Тяга 9 не несет больших нагрузок и лишь поворачивает стержни 2. В некоторых вариантах конструкции тяги вообще отсутствуют и необходимый поворот полозов осуществляют каретки.

Привод токоприемника пневматический. Применительно к э. п. с. переменного тока он состоит из цилиндра 12, шток которого через изолятор 11 к тягу 10 создает натяжение пружин 8, необходимое для работы токоприемника.

Рассмотренный токоприемник имеет универсальное назначение. Его используют для электровозов как переменного тока (при А, А), так и постоянного (при А кА, кА). В обоих случаях конструкционная скорость до 250 км/ч. Различие заключается лишь в установочных изоляторах, приводах и верхних узлах: рис. 8.13, а — верхний узел для э. п. с. переменного тока при полозах с угольными вставками, рис. 8.13,6— то же, но с медными наделками; рис. 8.13, в—для э. п. с. постоянного тока.

Рис. 8.11. Схема (а) и общий вид (б) токоприемника Л – 1ЗУ:

1 – основание; 2 – нижняя рама; 3 – верхняя рама; 4 – полоз; 5 – каретка; 6 – пружина; 7 – сдвоенный привод; 8, 9 – тяги; 10 – вал; 11 - подшипник

Рис. 8.12. Схемы асимметрического токоприемника:

а – конструктивная; б – расчетная; в – траехтория полоза (точка Е)

Рис. 8.13. Асимметричный токоприемник универсального назначения

В сравнении с аналогичными симметричными токоприемниками асимметричные имеют следующие преимущества: число трубчато-рычажных элементов в них меньше в 2—2,6 раза, шарнирных соединений - в 1,7 раза. Поэтому незначительны внутренние силы трения, а расхождения между статическими характеристиками подъема и опускания не превышают 4—6 Н. Масса подвижных частей, приведенная к месту контакта, для токоприемника с одним полозом меньше в 1,4 раза, а с двумя — в 1,3 раза. Об их аэродинамических свойствах можно судить, сравнивая кривые 1 и 3 на рис. 8.4.

Для асимметричных токоприемников существенное значение имеет траектория полоза — траектория точки Е. Примем на рис. 8.12, б за начало координат точку А (O₂ на рис. 8.12, а), за ось абсцисс — горизонталь, а за ось ординат — вертикаль. При этом траектория описывается уравнениями:

;. (8.1)

Необходимо определить угол. Для этого проводим вспомога¬тельную линию, соединяющую точки (шарниры) В и С (длина ее s) линию, соединяющую точки А и В (длина), и из точки В — линию, параллельную CD. Из треугольников ABC и BCD определяем размер s; сопоставляя треугольники, находим постоянные величины C₁ и С₂:

; (8.2)

. (8.3)

Используя эти постоянные, находим угол

. (8.4)

Подставляя значения углов а и у в уравнение (8.1), получим траекторию полоза. Преимущественно путем подбора длины отрезка АВ удается получать ее очень близкой к вертикальной линии.

Привод. На магистральном э. п. с. токоприемники имеют пневматический привод с электрическим управлением. Для снижения инерционности токоприемника пневматический привод не должен участвовать в его перемещениях по высоте, рабочие перемещения должны происходить только под действием пружин. Поэтому пневматический привод необходимо или полностью отсоединять от подвижных частей, или применять привод, сила которого существенно превышает силу подъемных пружин. По условиям электробезопасности токоприемник должен автоматически опускаться до нижнего положения при резком снижении давления сжатого воздуха в приводе и при снятии напряжения в цепи управления.

Допускается использовать для приводов токоприемников сжатый воздух при номинальном давлении МПа, т. е. как и для других тяговых аппаратов, или при МПа, т. е. как в главных резервуарах э. п. с. Воздух, подаваемый в привод то-коприемников, должен быть осушен, очищен от масла и пыли.

Рис. 8.14. Системы токоприемников с изолированным пневмоприводом (а), отъединяемым приводом (б) и сдвоенным цилиндром (в):

1 – подшипники; 2 – вал нижней рамы; 3 – пневмопривод; 4 – опускающая и 7 – подъемная пружина; 5, 6 – тяги; 8, 9, 13 – кронштейны; 10 – профильный кронштейн; 11 – рычаг привода; 12 – промежуточный вал

Наиболее широко на э. п. с. переменного тока применяют привод, приведенный на рис. 8.14, а. Пневматическая часть такого привода по существу вынесена за пределы токоприемника, что позволяет изолировать ее, введя изолятор в тягу 5. Подъем осуществляют пружины 7 при повороте вала 2 нижней рамы тягой 5 через кронштейн 13. Привод должен развивать на валу 2 момент

,

где — момент от силы; — момент подъемных пружин; — приведенный момент сил, создаваемых весом подвижных частей; — приведенный момент сил трения; — сила, развиваемая пневматическим приводом; R — радиус кронштейна 13 на валу 2.

При опускании к силам от веса подвижных частей добавляется сила пружины 4 привода 3.

Довольно широкое распространение имеет система, приведенная на рис. 8.14, б, с отъединяемым пневматическим приводом. В рабочем состоянии на токоприемник не действует пневматический привод, и он работает только под действием подъемных пружин 7. Опускающий механизм привода состоит из мощной пружины 4, цилиндра, рычага 11 и тяги 5, конец которой (со свободным роликом) при опускании упирается в профильный кронштейн 10 на валу 2. До вольно сложная рычажная система с зазорами в отдельных звеньях обладает большой инерционностью, обусловливает необходимость применять редукционные и буферные устройства (позиции 8 и 10 на рис. 8.10).

Рис. 8.15 Клапан токоприемника КП – 17 – 09А

В приводе, схема которого приведена на рис. 8.14, в, как и в приводе по схеме рис. 8.14, а, используются в качестве опускающих пружины 4 пневматических цилиндров привода 3. Отсутствие зазоров дает возможность управлять подъемом и опусканием токоприемника, регулируя впуск и выпуск воздуха цилиндров. Сдвоенный цилиндр более компактен, чем одинарный. Такие приводы применены в токоприемниках Л-13У и ряде других.

При управлении токоприемниками необходимо управлять процессами впускания сжатого воздуха в привод (осуществляется с помощью электропневматического вентиля) и его выпускания, что выполняют соответствующие распорядительные устройства — электропневматические клапаны.

Рассмотрим в качестве примера клапан типа КП-17-'09А (рис. 8.15). Он состоит из электропневматического вентиля 4 включающего типа и собственно пневматического клапана в чугунном корпусе /, разделенного на три полости Л, Б, В. Верхняя полость В соединяется с источником сжатого воздуха, средняя Б — с цилиндром токоприемника. В нижней полости А находится поршень 5 с возвратной пружиной 6. С полостью А сообщается также дросселирующее устройство, состоящее из клапана 8 с пружиной 9. Полость Б соединяется с полостью В впускным клапаном 2 и с полостью А — выпускным клапаном 3. В полость А под поршнем 5 при включении вентиля 4 поступает сжатый воздух, который, сжимая пружину 6, поднимает поршень. Клапан 3 закрывается, клапан 2 открывается, пропуская сжатый воздух из камеры В через камеру Б в токоприемник. Скорость подъема токоприемника должна быть такой, чтобы полоз не отскакивал при соприкосновении с проводом. Ее регулируют, изменяя подачу сжатого воздуха с помощью дроссельного болта 7.

При выключении вентиля 4 под действием пружины 6 поршень 5 опускается, закрывая клапан 2 и открывая клапан 3. Воздух из привода токоприемника через полость Б и клапан 8 быстро выходит в атмосферу, так как под его давлением, преодолевая сопротивление пружины 9, клапан 8 смещается и открывает большое выходное отверстие. Это обеспечивает быстрый отрыв полоза от контактного провода. Когда давление выходящего воздуха снизится до определенного значения, клапан 8 закроется и воздух уже медленно выходит через малое отверстие в нем.