Конструкции и основные характеристики токоприемников

Глава 10. Взаимодействие контактных подвесок и токоприемников

Конструкции и основные характеристики токоприемников

Токоприемники электроподвижного состава (ЭПС) — это тя­говые электрические аппараты, предназначенные для создания электрического контакта с контактной подвеской (контактным проводом). Конструкция токоприемника должна обеспечивать съем тока с контактного провода заданного значения при макси­мальной скорости движения, на которую рассчитан ЭПС.

На электрифицированных железных дорогах эксплуатируются то­коприемники разнообразных конструкций. Объясняется это тем, что электрификация железных дорог осуществляется как на постоянном, так и на переменном токе, а применяемый ЭПС имеет различную мощ­ность и конструктивную скорость. Наибольшее распространение по­лучили токоприемники пантографного типа.

На электровозах и моторвагонном подвижном составе (электро­поездах) переменного тока устанавливают токоприемники ТЛ-13У. На электровозах постоянного тока наибольшее применение получи­ли токоприемники П-3, П-5 и 10РР, а на электропоездах постоянного тока — ТЛ-13У или ТЛ-13М; используют также токоприемники П-1 и ДЖ-5. Токоприемники ТЛ-13У и ТЛ-14М (рис. 10.1, а) различают­ся типами полоза (с угольными вставками, металлокерамическими и металлоуглеродными пластинами).

Токоприемники представляют собой сложные пространственные механизмы, состоящие из системы различных рычагов и легких рам, шарнирно соединенных между собой и обеспечивающих перемещение по­лозов по вертикали. Полозы закрепляют на рамах с помощью кареток, обеспечивающих необходимое подрессоривание полозов, а также их

Рис. 10.1. Общий вид токоприемника ТЛ-14М (а); конфигурация и раз­меры полозов для всех типов токоприемников (б); 1 — полоз; 2 — каретка; 3 — верхняя подвижная рама; 4 — диагональная тяга; 5 — рычаг нижней подвижной рамы; 6 — основание; 7 — изолятор

угловое перемещение относительно верхнего шарнира рам токоприем­ника. Подъемно-опускающие механизмы токоприемников (рис. 10.2) со­стоят из подъемных 1 и опускающих 2 пружин, пневматического цилин­дра 3 и системы рычагов 4 пневматического привода. Опускающие пружины могут быть размещены внутри пневматического цилиндра (рис. 10.2, а, 6) или выполнены в виде наружных пружин (рис. 10.2, в). С целью уменьшения массы пневматического цилиндра его выполняют ступенчатым: больший диаметр имеет та часть, в которой перемещает­ся поршень, меньший — где расположена пружина.

Токоприемники с подъемно-опускающими механизмами рабо­тают следующим образом. Когда давление воздуха в пневмати­ческом цилиндре соответствует атмосферному и опускающая

Рис. 10.2. Схемы подъемно-опускающих механизмов токоприемников: а — ТЛ-13У, ТЛ-14М; б — П-5, 10РР; в — П-3, ДЖ-5

пружина разжата, токоприемник находится в опущенном положе­нии. Для подъема токоприемника в цилиндр через редукционное ус­тройство (клапан) подается сжатый воздух, который перемещая пор­шень и связанную с ним систему рычагов, сжимает опускающие пружины. При этом подъемные пружины, находившиеся в растяну­том состоянии, сокращаются и поднимают нижние и верхние рамы токоприемника, вследствие чего его полозы прижимаются к контакт­ному проводу. Для опускания токоприемника выпускают сжатый воздух из цилиндра, опускающие пружины разжимаются и через си­стему рычагов передают усилия на рамы токоприемника; при этом подъемные пружины растягиваются, а вся подвижная система токоп­риемника возвращается в начальное положение.

Редукционные клапаны в пневматических цилиндрах токоприем­ников предназначены для автоматического изменения скорости вер­тикального перемещения полоза при подъеме и опускании токопри­емника. Они обеспечивают быстрый начальный подъем опущенного токоприемника, а затем медленное его приближение к контактному проводу, чтобы полоз коснулся контактного провода без удара. При опускании токоприемника полоз быстро отрывается от контактно­го провода, а затем медленно опускается вниз. Такие режимы дости­гаются автоматическим регулированием скорости подачи сжатого воздуха в цилиндр и выпуска его в атмосферу. Время подъема токоп­риемника из сложенного положения до максимальной рабочей вы­соты (7,0 м) при номинальном давлении сжатого воздуха должно со­ставлять 4—12 с, а время опускания — 3—8 с.

При движении ЭПС постоянный контакт полоза токоприемни­ка с контактным проводом в случае изменения его высоты обес­печивается перемещением подвижной системы токоприемника и работой его подъемных пружин.

Рис. 10.3. Каретки токоприемников: а — ДЖ-5; б — П-3; в — 10РР

Каретки токоприемников (рис. 10.3) предназначены для улуч­шения качества токосъема при проходе «жестких» точек (мест с резким уменьшением эластичности контактного провода или на­личием на нем сосредоточенных масс — зажимов и др.) и струно-вых пролетов цепной контактной подвески, в которых контакт­ный провод имеет неодинаковую эластичность. В эти моменты полозы вертикально перемещаются только каретками, т.е. с кон­тактным проводом взаимодействует не весь токоприемник, а толь­ко его верхний узел, имеющий небольшую массу. Это уменьшает динамическую составляющую нажатия токоприемника на контак­тный провод, что обеспечивает лучшее качество токосъема, осо­бенно при высоких скоростях движения поездов. В двухполозных токоприемниках каретки обеспечивают также равномерное нажа­тие между полозами.

Качественный токосъем токоприемниками при более высоких ско­ростях движения обеспечивают демпфированием их рам, а в некото­рых случаях — и полозов. Демпфирование рам осуществляют с помо­щью телескопических гидравлических демпферов.

Элементы токоприемника перемещаются вертикально при его дви­жении вдоль контактной подвески из-за неодинаковой эластично­сти контактного провода в струновых пролетах, в середине про­лета и у опор, местных изменений высоты подвеса контактного провода над УГР у искусственных сооружений, на станциях и т.п.

Неодинаковая эластичность контактного провода в струновых про­летах вызывает вертикальные колебания полоза токоприемника с амп­литудой 30—40 мм и длиной волны 5—10 м, а в середине пролета и у опор — с амплитудой 100—150 мм при длине волны 50—80 м. Мест­ные изменения высоты подвеса контактного провода у искусственных сооружений и на станциях (выполняемые с постепенным уклоном контактного провода, например 0,002) вызывают значительные вертикальные перемещения полоза токоприемника, достигающие 0,5—1,2 м. Таким образом, на большей части линии полоз токоп­риемника совершает вертикальные перемещения с амплитудой до 0,35 м и только на коротких участках пути — значительные верти­кальные перемещения, достигающие 1,2 м. Этим обстоятельством пользуются при разработке конструкций токоприемников для высоких скоростей движения.

Чтобы обеспечить большой рабочий ход (1,2 м) и качественный токосъем при высоких скоростях движения, токоприемники выпол­няют сдвоенными (двухступенчатыми), т.е. из двух расположенных одна над другой подвижных систем. Верхняя ^подвижная система с рабочим ходом 0,4—0,5 м и небольшой массой взаимодействует с контактной подвеской по высоте в пределах разности отжатий кон­тактного провода в середине пролета и у опор; а обе подвижные сис­темы — на участках со значительным изменением высоты подвеса контактного провода над УГР.

Одной из разновидностей таких токоприемников является то­коприемник Сп-бМ (рис. 10.4, а). Он состоит из двух подвижных систем: нижней в виде параллелограмма 1 и верхней 2 в виде пятизвенника. При небольших изменениях высоты контактного провода (±0,3 м) с ним взаимодействует только верхняя система, име-

Рис. 10.4. Двухступенчатые (сдвоенные) токоприемники:

а — отечественный Сп-бМ; б — французских железных дорог;

1 и 2 — нижняя и верхняя подвижные системы; 3 — полоз

ющая небольшую массу (24,5 кг), нижняя система при этом остает­ся неподвижной. При значительных изменениях высоты контактно­го провода вступает в работу и нижняя система токоприемника. До­стигается это автоматически с помощью пневматической связи между верхней и нижней подвижными системами. Этот токоприемник име­ет следующие характеристики: допустимый длительный ток при движе­нии 1650 А, рабочий ход 2,15 м, ширина полоза 440 мм, масса полоза 15 кг, приведенная масса токоприемника 24,5 кг.

В верхней и нижней системах токоприемника установлены двух­сторонние (симметричные) гидравлические демпферы.

Во Франции для скоростей движения до 400 км/ч создан сдво­енный токоприемник (рис. 10.4, б). Функцию нижней подвижной системы в нем выполняет упрощенная рама токоприемника AM с демпферами, а верхней подвижной системы — небольшой асим­метричный токоприемник AM массой 14 кг с рабочим ходом 0,4 м. Нижняя система, как и у токоприемника Сп-бМ, вступает в рабо­ту только при значительных изменениях высоты контактного про­вода над УГР. Такая работа токоприемника достигается соответ­ствующим демпфированием нижней и верхней подвижных систем токоприемника гидравлическими амортизаторами.

Для линий, рассчитанных на скорость движения поездов 250—350 км/ч, рабочий диапазон высоты (разность между максимальной и минималь­ной) подвеса контактного провода над УГР принимают не более 0,5— 0,55 м. Это позволяет использовать легкие малогабаритные токопри­емники с небольшим рабочим ходом (не более 0,85 м). Соприкосновение с контактным проводом осуществляется через токосъемные пластины (вставки): медные (в настоящее время не применяются — заменены метал-локерамическими), а при незначительных снимаемых токах — угольные.

Разработаны также металлоуглеродные токосъемные вставки и унифицированный полоз для них. Вставка имеет овальную кон­тактную поверхность.

Конструкцию токоприемника для определенных условий эксплуа­тации выбирают по нагрузочной способности с учетом его статичес­кой и аэродинамической характеристик, а также приведенной массы.

Нагрузочная способность токоприемника — это значение рабо­чего тока, который токоприемник может снимать с контактного провода. Нагрузочную способность токоприемников устанавли­вают для двух режимов — движения и стоянки ЭПС.

По нагрузочной способности различают токоприемники тя­желого (Т) и легкого (Л) типов. Токоприемники типа Т предназначены для грузовых и пассажирских электровозов постоянного тока и двой­ного питания. При движении ЭПС они должны обеспечивать съем с контактного провода длительного тока 2200 А, а на стоянке — 300 А для расчетного зимнего режима и 160 А — для летнего.

Токоприемники типа Л предназначены для грузовых и пассажир­ских электровозов переменного тока, для электропоездов перемен­ного и постоянного тока. При движении ЭПС они должны обеспе­чивать съем с контактного провода длительного тока 500 А, при стоянке — 80 А для расчетного зимнего режима и 50 А для летнего. Максимальный ток, снимаемый в течение более 1 мин, для токоп­риемников обоих типов составляет не более 1,4 длительного тока.

Статическое нажатие токоприемника, разницу между наиболь­шим и наименьшим нажатиями и двойное значение сопротивле­ния трения в шарнирах, приведенное к контактной поверхности полозов, определяют по статической характеристике, представ­ляющей собой зависимость активного (при движении вверх) и пас­сивного (при движении вниз) нажатий, создаваемых подъемными пружинами, от положения полоза по высоте.

Статическую характеристику снимают динамометром 1 при от­ключенных опускающих пружинах (рис. 10.5, а). Показания дина­мометра записывают через каждые 100 мм с погрешностью ±1 Н при плавном движении полоза в одном направлении (вверх и вниз). По полученным данным строят характеристику активного и пас­сивного нажатий. Статическое нажатие на контактный провод в диапазоне рабочей высоты у токоприемников типа Т должно быть: активное (не менее) 100 Н, пассивное (не более) 130 Н; у токопри­емников типа Л — соответственно 60 и 90 Н.

Рис. 10.5. Схема измерений для определения характеристик токоприемника: а — статической; б — приведенной массы

Рис. 10.6. Схема снятия статической характеристики токоприемников при опускании (а) и подъеме (б) токоприемника; 1 — контактная подвеска; 2 — полоз токоприемника; 3 — динамометр

Разница между наибольшими и наименьшими нажатиями при одностороннем движении токоприемника в диапазоне рабочей высоты должна составлять не более 15 Н у токоприемников типа Т и 10Н — типа Л. Двойное значение трения в шарнирах, приве­денное к контактной поверхности полозов, у этих токоприемни­ков соответственно не более 30 и 20 Н. Схема снятия статичес­ких характеристик токоприемников ЭПС приведена на рис. 10.6. Технические характеристики токоприемников приведены в табл. 10.1 и 10.2. Высота подъема токоприемника от УГР — 7 м.

Таблица 10.1