ГЛАВА 12

 ТОКОПРИЕМНИКИ

12.1.    Общие сведения и определения

 

Токоприемники (энергополучатели) – аппараты ЭПС, предназна­ченные для приема электроэнергии от контактных проводов (токопроводов). Они могут быть контактными, квазиконтактными, бесконтактными. Конструкция токоприемников и их характеристики определяют­ся мощностью и скоростью ЭПС, габаритами подвижного состава и приближения строений, расположением контактных проводов в плане и по высоте. Токоприемники должны обеспечивать надежный (без по­вреждений), экономичный (с минимальным износом контактирующих элементов) и экологичный токосъем. По величине токовой нагрузки их делят на два типа: тяжелый (Т) и легкий (Л). Комплексы конструктив­ных элементов, входящих в состав контактных токоприемников, под­разделяют на базовые, альтернативные и дополнительные (рис. 12.1).

В базовый комплекс входят элементы, необходимые для участков, электрифицированных как на постоянном, так и на переменном токе: система подвижных рам; подъемно-опускающий механизм (привод); основание и управляющие системы.

К альтернативным относят специфические элементы для постоян­ного или переменного тока, а также для электровозов или электропо­ездов: каретки; полозы; контактирующие, токопроводящие и изолирующие элементы. Комплексы базовых и альтернативных элементов со­держат все токоприемники отечественного ЭПС.

Дополнительные элементы используют для повышения эксплуата­ционных свойств токоприемников: скорости, надежности, экономич­ности и экологичности. На российских железных дорогах применяют токоприемники тя­желого и легкого типа магистрального ЭПС (рис. 12.2, а, б): а — пантограф (токоприемник тяжелого типа Т-5); б — симметричный полупантограф (токоприемник легкого типа Л-1 ЗУ, Л-14М). Для по­вышенных скоростей движения используют специальные токопри­емники: токоприемник ВНИИЖТ Сп-бМ пантографного типа с параллелограммным подвижным основанием (рис. 12.2, в); штанговый токоприемник ОмГУПС с резино-

 

Рис. 12.1. Классификация элементов токоприемников

 

кордным упругим элементом в подъемно-опускающем механизме (рис. 12.2, г); асимметричный полупантограф ВЭлНИИ и фирмы «Дорнье» О5А-350 с аналогичным приводом (рис. 12.2, д). К основным узлам токоприемников относятся: контактные элементы (медные, металлокерамические, уголь­ные); несущие конструкции полозов (рамные или сплошные) с рога­ми; каретки полозов; системы подвижных рам; подъемные упругие элементы; демпфирующее устройство; пневматический цилиндр с опускающей пружиной и рукавом; основание с изоляторами; управ­ляющие элементы (клапаны); аэродинамическое устройство; ниж­няя система рам и авторегулятор ее высоты (см. рис. 12.2).

В настоящей главе рассматриваются характеристики узлов токо­приемников, влияющие на результаты расчетов их взаимодействия с контактными подвесками в установившемся и переходных режимах.

 

12.2.     Приведенные массы системы подвижных рам и полозов токоприемников

 

Система подвижных рам предназначена для обеспечения надеж­ного контакта полозов (лыж) токоприемника с контактными про­водами при изменении высоты последних в заданных пределах. Для магистральных железных дорог эта высота составляет 5550 – 6900мм. Диапазон рабочих высот токоприемника (400 – 1900 мм) определяет размеры его конструкции.

Основные схемы систем подвижных рам токоприемников могут быть классифицированы следующим образом: пантографы; полу­пантографы симметричные; полупантографы асимметричные; штан­говые токоприемники и токоприемники с подвижным основанием.

В России наиболее распространены и длительное время эксп­луатируются ромбические пантографы типа ДЖ-5, П-1, П-3, Т-5. 10РР, 17РР, 25Ь5-1 и др. (рис.12.3, а, д). В Японии для экономии места на крыше ЭПС применяют Х-образные (рис. 12.3, в) пантог­рафы. Главные валы пантографа соединяют между собой тягой антипараллелограмма, обеспечивающей их синхронный поворот, и как следствие, вертикальное перемещение верхних шарниров.

 

Рис. 12.2. Схемы токоприемников ЭПС: магистральных (а. б): высокоскорост­ных специальных (в. г, д): 1 — контактные элементы: 2 — несущие конструкции полозов: 3 — каретки полозов; 4 — системы подвижных рам: 5 — подъемные упругие элементы; б — демпфирующее устройство; 7 — пневматический ци­линдр с опускающей пружиной и рукавом; 8— основание с изоляторами; 9 — управляющие элементы; 10 — аэродинамическое устройство; II — нижняя си­стема рам; 12 — авторегулятор высоты нижней системы рам

 

Конструкция симметричных полупантографов (рис. 12.3, г) дает воз­можность уменьшить габариты основания токоприемника и его метал­лоемкость. Однако при этом появляется повышенная нагрузка на под­шипники средних шарниров. К таким полупантографам относятся токоприемники типа П-7, Л-13У, Л-14М и др.

Асимметричные полупантографы нашли широкое применение за ру­бежом. По сравнению с симметричными, они обладают меньшей мас­сой и габаритами. Такие токоприемники активно внедряет французс­кая фирма «Faiveley». В России разработаны токоприемники такого типа ПН-2 для электровоза ВЛ-41, Тас-11 для ЭП-200, ТП-250 для поез­да «Сокол» и СВАРЗ — для трамвая (рис. 12.3, д). Они эффективны в случае применения высокопрочных материалов и точной технологии.

 

 

Рис. 12.3. Основные схемы систем подвижных рам токоприемников: ромбические {а. б) и Х-образные (в) пантографы; симметричные (г) и асимметричные (д) полу­пантографы: с подвижным основанием (с) и штанговые с тросовой или цепной передачей {ж)

 

Штанговые рамы токоприемников применяют для троллейбу­сов, трамваев, метрополитена. Они вновь привлекли к себе вни­мание в связи со стремлением снизить приведенную массу токоп­риемника, сделать его малошумным, а рамы — статически определимыми. К недостаткам трамвайной штанги (бугеля) относится поворот контактной вставки вокруг своей оси при изменении вы­соты подъема. Более рациональным является вариант с цепной или тросовой передачей (рис. 12.3, ж), применяемый для штанговых токоприемников, разработанных в ОмГУПСе (ТС-ЗМ, 5М70). Они представляют собой статически определимую конструкцию, не бо­ящуюся перекосов, с минимальными трением и массой.

Токоприемники с подвижным основанием (рис. 12.3, е) возникли в связи со стремлением снизить приведенную массу так, чтобы обес­печить работу при скоростях свыше 55 м/с (200 км/ч). Высота подвижного основания поддерживается специальным авторегулирующим устройством, срабатывающим, например, перед входом в тон­нель со сниженными контактными проводами.

Параметры системы подвижных рам входят переменными состав­ляющими (зависящими от высоты подъема рам) в целый ряд характе­ристик токоприемника, регламентируемых стандартом и техническим условиями. К ним относятся: приведенная масса токоприемника, ха­рактеристики опускающей и удерживающей сил, аэродинамическая подъемная сила, частотная характеристика токоприемника, а также весовая характеристика и характеристика весового момента, необхо­димые для расчета токоприемника. Конструкция системы подвижных рам полностью определяет поперечную жесткость токоприемника.

Под приведенной массой токоприемника принято понимать вооб­ражаемую массу, движущуюся вертикально со скоростью точки при­ведения (точки контакта) и обладающую такой же кинетической энергией, как и весь токоприемник. Это понятие применимо без оговорок только к токоприемникам с одной степенью свободы. Во всех осталь­ных случаях каретки, или другие рессорные элементы, должны быть условно заклинены.

От приведенной массы токоприемника зависит качество токосъема при высоких скоростях движения и износ контактирующих элементов. Она определяется как сумма масс полозов т_л, деталей верхнего узла с каретками т_к и приведенной массы системы подвижных рам т_р :

т_Т = m_л +m_к + т_р.                                            (12.1)

При этом массы m_к и т_л — величины постоянные, не зависящие от высоты подъема токоприемника.

В соответствии с требованиями ГОСТ масса токоприемника должна быть не более 45 кг для конструкций типа Т и 33 кг — типа Л. У токоприемников, предназначенных для работы на ЭПС с максимальными скоростями до 120 км/ч, допускается увеличение приведенной массы до 55 кг.

Экспериментально приведенная масса может быть определена по пе­риоду малых свободных колебаний. Для этого систему подвижных рам подвешивают за верхний шарнир к неподвижному элементу посредством пружины с известной жесткостью ж (рис. 12.4, а). Подъемный и опуска­ющий механизмы при этом должны быть отключены, а каретки заклине­ны. Приведенную массу рассчитывают по известной из механики фор­муле, предварительно измерив период свободных колебаний Т.

                                                                                                             (12.2)

Массу полоза, а следовательно, и динамические свойства токоп­риемников, определяют, в основном, контактирующие элементы i вставки или накладки). Для оценки их динамических свойств фир­ма Morganite использует величину погонной массы (кг/м) неизно­шенной вставки. Этот показатель позволяет оценить только дина­мические свойства контактных материалов и никак не связан с их нагрузочной способностью.

Материал вставки должен обеспечивать надежный съем максималь­ного тока при минимальной собственной массе с достаточно высоким динамическим коэффициентом использования К_И, представляющим частное от деления длительного тока, снимаемого одной вставкой, на ее погонную массу. В настоящее время, не имея данных о динамических коэффициентах материалов вставок, конструкторы токоприемников раз­рабатывают полозы без необходимых расчетов, используя данные фирм их изготовляющих, которые иногда носят рекламный характер.

Так как масса кареток незначительна, а масса полозов определяет­ся, в основном, массой контактных накладок, количество которых за­висит от снимаемых токов, то уменьшения массы полозов можно добиться только за счет облегчения каркаса полоза и рогов. Поэтому для улучшения динамических качеств токоприемника необходимо умень­шать приведенную массу системы подвижных рам.

Весовая характеристика токоприемника представляет собой зависимость сил тяжести (веса) его подвижных частей, приведен­ных к верхнему шарниру, от высоты его подъема. Она определяет­ся как сумма сил тяжести полозов G_П деталей верхнего узла с ка­ретками G_K и системы подвижных рам G_p:

G_T = G_П + G_{K +} G_p.                                              (12.3)

От высоты подъема зависит только приведенная сила тяжести системы подвижных рам токоприемника G .

Весовая характеристика токоприемника необходима при рас­чете опускающей и удерживающей характеристик, а также для оп­ределения весового момента, используемого при расчете характе­ристики статического нажатия. Кроме того, она позволяет при­ближенно определять приведенную массу токоприемника.

Экспериментальное определение весовой характеристики производится динамометром (рис. 12.4, б) при снятых подъем­ных пружинах и отключенном приводе путем медленного пе­ремещения токоприемника вверх G_T1j и вниз G_T2j;в диапазоне рабочих высот. Тогда G_Tj = (G_Tlj +G_T2j )/2. Таким образом исключается сила трения в шарнирах.

Поперечная жесткость токоприемника ж_Т представляет собой от­ношение горизонтальной силы Р, приложенной к верхнему шарниру в направлении, перпендикулярном оси пути, к вызванному этой си­лой перемещению верхнего шарнира Δf в направлении действия силы:

                                                                                                                   (12.4)

 

                  

 

Рис. 12.4. Кинематические схемы для определения приведенной массы (а) и весовой характеристики токоприемника (о); 1 — лебедка; 2 — самописец; 3 — динамометр

 

Согласно требованиям ГОСТ 12058—72 поперечная жесткость токоп­риемника должна быть не менее 17 Н/мм. Экспериментально попереч­ную жесткость токоприемника определяют в его верхнем рабочем поло­жении путем приложения к верхнему шарниру системы подвижных рам боковой горизонтальной силы равной 500 Н. Горизонтальное смещение верхнего шарнира под действием этой силы определяется с помощью отвеса и линейки, закрепленной на основании токоприемника.

Поперечная жесткость токоприемника является характеристикой, га­рантирующей надежный токосъем при прохождении воздушных стре­лок, при сходе провода на рог полоза, а также при поперечных колеба­ниях подвижного состава, т.е. в тех случаях, когда на токоприемник дей­ствуют силы, направленные в плоскости, перпендикулярной оси пути.

Частотная характеристика представляет собой зависимость длительности нарушения контакта между полозом и колеблющим­ся в вертикальной плоскости контактным проводом или имитиру­ющим его устройством от частоты гармонических колебаний пос­леднего при определенной амплитуде. Эта проверка предназначе­на для комплексной оценки состояния узлов токоприемника (ка­реток, системы подвижных рам, демпферов и т.д.). Она произво­дится опытным путем для всего токоприемника в целом.

Динамические качества токоприемника считаются удовлетворитель­ными, если отсутствуют отрывы полоза от контактного провода, ко­леблющегося с амплитудой 40±2 мм и частотой 0,8 Гц.

 

12.3.     Силы нажатий и сухого трения

системы подвижных рам токоприемников

 

Безаварийная работа ЭПС и контактной сети в значительной степе­ни зависит от характеристик, определяемых конструкцией подъемно-опускающего механизма (привода) токоприемника. Привод должен обеспечивать: необходимую величину опускающей силы, требующейся для надежного опускания токоприемника (при необходимости) с заданной скоростью за определенное время; определенную величину удерживаю­щей силы, предотвращающей самопроизвольный подъем токоприемни­ка при высоких скоростях движения; заданное статическое нажатие на контактный провод с возможностью его регулирования как вручную, так и автоматически; достаточно малое время подъема и опускания то­коприемника без повреждения его элементов и контактной сети при за­данных эксплуатационных скоростях движения подвижного состава. Кро­ме того, привод токоприемника должен управляться дистанционно.

По виду используемой энергии все приводы токоприемников раз­деляют на пневматические, электрические и гидравлические (рис. 12.5).

Заслуживает внимания также конструкция подъемно-опускающих ме­ханизмов с резинокордными упругими элементами (РКЭ), впервые пред­ложенными в ОмГУПСе. Они позволяют значительно снизить металло­емкость привода за счет исключения пневмоцилиндров, подъемных и опускающих пружин, уменьшить трудозатраты на эксплуатацию токо­приемника. Кроме этого, применение РКЭ в приводах позволяет регули­ровать статическое нажатие токоприемника на контактный провод как по команде машиниста, так и автоматически, в зависимости от скорости движения локомотива, наличия гололеда, ветра и других факторов, что достигается простым изменением давления сжатого воздуха в РКЭ.

Конструкция подъемно-опускающего механизма определяет харак­теристику статического нажатия рам, время подъема и опускания то­коприемника, а также опускающую и удерживающую характеристики.

Характеристика статического нажатия рам токоприемника пред­ставляет собой зависимость вертикальной силы, с которой полоз да­вит на контактный провод, от высоты подъема токоприемника Р_р(Н). При этом стандартом регламентируется как значение силы нажатия в диапазоне рабочих высот токоприемника и разница между наиболь­шим и наименьшим нажатиями, так и двойная величина сухого тре­ния в шарнирах. Сила сухого трения в механизме токоприемника, при­веденная к верхнему шарниру, определяется как полуразность пас­сивного нажатия Р_2р (измеренного при движении токоприемника вниз) и активного Р_1р (измеренного при движении вверх)

                                                                                                            (12.5)

Рис. 12.5. Классификация подъемно-опускающих механизмов токоприемников

 

Значение этой силы должно быть минимальным для получения лучших динамических свойств токоприемника.

Статическое нажатие является одной из составляющих контак­тного нажатия токоприемника на контактный провод Р_кт, кото­рое, в свою очередь, определяет износ контактирующих элемен­тов. Поэтому характеристика статического нажатия должна быть постоянной во всем диапазоне рабочих высот токоприемника. По ГОСТ 12058—72 статическое нажатие токоприемника на контакт­ный провод в диапазоне рабочих высот должно быть: активное для аппаратов типа Т не менее 100 и типа Л 60 Н; пассивное — 130 и 90 Н соответственно. Конструкция токоприемника типа Л долж­на обеспечивать возможность увеличения нажатия на 30 %. Разни­ца между наибольшим и наименьшим нажатиями при односторон­нем движении ΔР_р должна быть не более 10 Н для токоприемников типа Л и 15 Н для Т. Двойная величина трения в шарнирах, приве­денная к контактной поверхности полоза 2 W_p, не может превышать 20 Н для легких и 25 Н для тяжелых токоприемников.

Определение характеристики статического нажатия производится экспериментально (рис. 12.6, а), для чего в цилиндр привода подается воздух (или опускающая пружина выводится из работы другим спосо­бом). При этом показания динамометра снимаются (при плавном дви­жении вверх и вниз) устройствами, автоматически опускающими и поднимающими токоприемник.

Опускающая характеристика представляет собой зависимость силы, действующей на опускание системы подвижных рам токопри­емника, от его высоты Р_0П(Н). Аналогично, удерживающая характеристика — это зависимость силы, противодействующей подъе­му системы подвижных рам токоприемника, от его высоты Р_ул(Н). Они необходимы для работы в переходных режимах.

Согласно требованиям ГОСТ 12058—72 опускающая сила в ди­апазоне рабочих высот должна быть не менее 200 Н у токоприем­ников типа Т и 120 Н у типа Л. Неработающий токоприемник дол­жен надежно удерживаться в опущенном положении при движе­нии ЭПС со скоростью 160 км/ч (скорость обдува 44,5 м/с).

 

 

Рис. 12.6. Кинематические схемы для определения характеристики статического нажатия (а); характеристик опускающей и удерживающих сил (б); 1 — лебедка; 2 — динамометр

 

Экспериментальное определение удерживающей и опускающей характеристик производят следующим образом (рис. 12.6, б). При выпущенном из цилиндра привода воздухе токоприемник следует медленно поднимать вверх (за динамометр), снимая показания удер­живающей силы. Опускающая сила определяется подобным обра­зом при движении вниз.

 

12.4.     Силы нажатий кареток токоприемников

 

Каретка (см. рис. 12.2, а, б, в, д) — элемент конструкции токоп­риемника, обеспечивающий упругое перемещение полоза относи­тельно верхнего шарнира системы подвижных рам. Каретка пред­назначена для уменьшения влияния инерции рам (в процессе взаи­модействия с контактной сетью) путем упругого расчленения масс токоприемника. Она позволяет безотрывно проходить небольшие неровности на контактных проводах, а при определенных парамет­рах выбирать и стрелы провеса контактной подвески.

Многообразие конструкций кареток позволяет их классифици­ровать (рис. 12.7) по способу установки упругих элементов между полозами и верхним шарниром системы подвижных рам токопри­емника: плунжерные вертикальные; плунжерные наклоняемые; плунжерно-рычажные; плунжерные с демпфированием; рычажные; рычажно-пружинные; пружинные; с кулисой (направляющей).

 

Рис. 12.7. Классификация кареток токоприемников

 

По типу и качеству применяемых упругих элементов каретки бывают: с цилиндрическими пружинами, работающими на сжа­тие, растяжение, закручивание; плоскими пружинами; резиновы­ми упругими элементами; пневматическими упругими элемента­ми; со стержнями, работающими на изгиб и скручивание, а также листовыми пружинами, снабженными резиновыми прокладками.

По связи кареток, расположенных с разных концов полоза: син­хронизированные; несинхронизированные.

По связи кареток, несущих разные полозы: связанные; несвязанные.

По наличию встроенного предохранительного устройства, позво­ляющего полозам упруго отклоняться назад при продольном ударе: с предохранительным устройством и без него.

По конструкции соединения с системой подвижных рам: с осью верхнего шарнира; с верхними рычагами.

К основным характеристикам кареток следует отнести жесткость, сво­бодный ход (прогиб) и предварительный натяг. ГОСТ регламентируется также статическая характеристика верхнего узла (так называемая сум­марная характеристика кареток), которая представляет собой зависимость перемещения полоза (относительно верхнего шарнира системы подвиж­ных рам) от приложенной к середине полоза силы, направленной вниз. При приложении силы, равной пассивному статическому нажатию, ход полоза должен составлять 20—40 % полного хода, а угол его поворота 5—7° в каждую сторону относительно среднего положения.

В качестве критерия для определения жесткости кареток использу­ют расчетное значение первой резонансной критической скорости. При этом накладываемые ограничения в расчете связаны с наличием или отсутствием синхронизации кареток, которая, в свою очередь, влияет на их свободный ход и геометрию полоза и зависит от параметров кон­тактной подвески. При невозможности решения дифференциальных уравнений взаимодействия токоприемника с контактной подвеской суммарную жесткость кареток выбирают, исходя из массы полоза, на­личия дополнительного обрессоривания контактных элементов, статического нажатия токоприемника, жесткости контактной подвески и эксплуатационной скорости ЭПС. Кроме того, дополнительно прове­ряют полученные значения жесткости кареток на статическую и дина­мическую устойчивость полоза.

Величина свободного хода синхронизированных кареток зависит от стрелы провеса контактного провода. При увеличении их сво­бодного хода более 100—150 мм необходимо выполнить демпфи­рование системы подвижных рам токоприемника. Для несинхронизированных кареток увеличение свободного хода свыше 100 мм требует применения полозов с положительной кривизной контак­тирующей поверхности и измененной геометрией рогов.

Предварительный натяг применяется при наличии дополнитель­ного обрессоривания контактных элементов, чрезмерной массе полозов и в принципе не является обязательным, так как жесткость кареток может быть нелинейной.

Функции нажатия кареток Р_к = P_к(H_л -Н_р) определяют экспе­риментально следующим образом. Каждую из двух кареток зак­репляют неподвижно. К верхнему валику каретки крепят тягу, име­ющую внизу площадку для гирь, а сбоку устанавливают измери­тельную шкалу. Характеристика снимается при снятых полозах для каждой каретки отдельно. Для определения функции нажатия ка­реток с полозами результаты значений сил на каждой высоте (H_л - H_р) суммируют у двух кареток и из этой суммы вычитают силу тяжести полозов.