Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ скоростных токоприемников электроподвижного состава магистральных железных дорог 10
1.1. Особенности конструкций верхнего узла токоприемников 14
1.1.1. Особенности конструктивного исполнения кареток 15
1.1.2. Особенности конструктивного исполнения полозов 20
1.1.3. Особенности конструктивного исполнения контактных элементов токоприемников 27
1.1.4. Требования, предъявляемые к верхним узлам токоприемников
1.2. Пути повышения нагрузочной способности скоростных токоприемников 32
1.3. Выводы 33
2. Определение параметров верхнего узла токоприем ника при его взаимодействии с контактной подвеской 3 5
2.1. Описание конструкции токоприемника 37
2.2. Анализ известных методов расчета взаимодействия токоприемников с контактными подвесками 37
2.3. Факторы, влияющие на качество токосъема 40
2.4. Обоснование расчетной схемы взаимодействия токоприемника и контактной подвески 2.4.1. Расчет характеристики контактного наэюатия с учетом воздействия со стороны контактного провода и основания токоприемника 40
2.4.2. Вывод математической модели взаимодействия токоприемника с контактной сетью 47
2.4.3. Учет силы трения скольжения в контакте 56
2.4.4. Учет аэродинамического влияния со стороны встречного воздушного потока 57
2.4.5. Уравнения движения элементов токоприемника
2.5. Анализ результатов расчета параметров верхнего узла токоприемника при его взаимодействии с контактной подвеской 62
2.6. Оценка адекватности разработанной математической модели 70
2.7. Определение областей простых параметрических резонансов, возникновение которых в системе «токоприемник — контактная сеть» возможно 73
2.8. Выводы 88
3. Разработка верхних узлов, повышающих нагрузочную способность токоприемников 90
3.1. Полоз токоприемника с неоднородными по ширине контактными элементами 90
3.2. Полоз токоприемника с изменяющейся шириной 93
3.3. Краткое описание предлагаемой схемы верхнего узла токоприемника 95
3.4. Технические нормы на верхний узел токоприемников электроподвижного состава
3.4.1. Общие требования 96
3.4.2. Эксплуатационные требования 97
3.4.3. Требования допустимых превышений температуры при съеме длительно допустимого тока при движении и на стоянке 97
3.4.4. Методы испытаний 97
3.4.5. Полозы токоприемников 101
3.4.6. Браковочные нормы для контактных элементов 102
3.5. Выводы 103
4. Методика испытаний разработанных элементов и узлов токоприемников 104
4.1. Стенд для комплексного исследования контактных элементов токоприемников 105
4.1.1. Конструктивное исполнение стенда 107
4.1.2. Методика испытаний контактных элементов токоприемников 110
4.2. Кольцевой стенд для имитации элементов контактной подвески
при испытаниях токоприемников 117
4.2.1. Конструктивное исполнение стенда 112
4.2.2. Методика испытаний полозов токоприемников 116
4.3. Разрывной стенд для исследования физико-механических свойств контактных элементов и проводов 117
4.3.1. Конструктивное исполнение стенда 118
4.3.2. Методика испытаний контактных элементов токоприемников 118
4.4. Выводы 119
5. Экспериментальные исследования предложенных конструктивных решений верхнего узла токоприемников и определение технико-экономической эффективности 120
5.1. Экспериментальное определение нагрузочной способности полоза токоприемника 120
5.2. Экспериментальное определение износных характеристик контактных элементов 123
5.3. Экспериментальное определение нагрузочной способности контактных элементов 126
5.4. Оценка экономической эффективности использования предлагаемых конструкций верхнего узла токоприемника
5.4.1. Определение стоимостной оценки результатов 131
5.4.2. Определение единовременных затрат 132
5.4.3. Определение показателей экономической эффективности 132
5.5. Выводы 134
Заключение 135
Библиографический список
- Особенности конструктивного исполнения полозов
- Факторы, влияющие на качество токосъема
- Технические нормы на верхний узел токоприемников электроподвижного состава
- Методика испытаний контактных элементов токоприемников
Введение к работе
Актуальность проблемы. Важнейшую роль в техническом перевооружении железнодорожного транспорта играет электрификация железных дорог, позволяющая повысить скорость движения поездов, а следовательно, сократить время доставки грузов и пассажиров.
Транспортная стратегия России, принятая 03.12.2003 на всероссийском совещании в Кремле, наметила направления развития транспортной системы страны, в том числе создание международных транспортных коридоров «Европа - Азия» и «Север — Юг», в которых основную роль будут играть электрические железные дороги.
Согласно стратегическим направлениям научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г. («Белая книга» ОАО «РЖД») одним из важнейших направлений является создание подвижного состава и инфраструктуры для высокоскоростного движения.
Спецификой электрического транспорта является подвод энергии через скользящий контакт между токоприемником и контактной подвеской, поэтому с повышением скоростей движения увеличивается мощность подвижного состава, а число токоприемников уменьшается до двух, при этом значение снимаемых полозом токов возрастает (особенно при постоянном токе), что требует совершенствования существующих элементов и узлов токоприемников. Это оставляет проблему обеспечения надежного и экономичного токосъема особенно актуальной.
Цель диссертационной работы - совершенствование конструкции токоприемников электроподвижного состава при эксплуатации поездов с повышенной массой и при высоких скоростях движения.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
анализ существующих конструкций верхних узлов токоприемников и оценка их влияния на нагрузочную способность токоприемников;
создание методики расчета взаимодействия токоприемников с контактной сетью с учетом различного исполнения верхнего узла токоприемника;
разработка конструкции верхних узлов токоприемников для обеспечения качественной передачи рабочего тока до 3000 А при скоростях движения до 250 км/ч;
создание методики и оборудования, обеспечивающих проведение испытаний разработанных узлов токоприемника и перспективных контактных пар, применяемых в системах токосъема магистрального электроподвижного состава;
экспериментальные исследования разработанных устройств и оценка технико-экономической эффективности предлагаемых технических решений.
Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования проведены на основе методов системного подхода, математического моделирования на ПЭВМ с использованием универсальной математической программы MathCad. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных установках и на действующих токоприемниках электроподвижного состава магистральных электрических железных дорог.
Научная новизна работы заключается в следующем:
усовершенствование методики расчета взаимодействия токоприемников с контактной сетью с учетом различного исполнения верхнего узла токоприемника;
разработка конструкций верхних узлов токоприемников для обеспечения качественной передачи рабочего тока до 3000 А при скоростях движения до 250 км/ч;
создание методики и оборудования, обеспечивающих проведение испытаний предложенных узлов токоприемника и перспективных контактных пар, применяемых в системах токосъема магистрального электроподвижного состава.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами лабораторных и натурных экспериментов, проведенных на действующих электрифицированных участках Октябрьской железной дороги. Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными составляет не более 6,5 %. На предлагаемые схемные решения верхнего узла токоприемника и стенда для комплексного исследования контактных элементов получены три патента на полезные модели.
Практическая ценность диссертации заключается в следующем:
-
Усовершенствованная методика расчета взаимодействия токоприемников с контактной сетью с учетом различного исполнения верхнего узла токоприемника позволяет определить параметры токосъемных устройств для обеспечения надежного и качественного токосъема.
-
Предложенные конструкции верхних узлов токоприемников обеспечивают передачу рабочего тока до 3000 А при скоростях движения электроподвижного состава до 250 км/ч.
-
Разработанные методики экспериментальной проверки параметров и характеристик верхних узлов токоприемников, а также созданный стенд для комплексного исследования контактных элементов обеспечивают проведение исследований разработанных конструкций в лабораторных условиях.
Реализация результатов работы. Разработанная методика определения статических и динамических характеристик токоприемников использована при проведении испытаний скоростной системы токосъема на участке Лихославль -Калашникове Октябрьской железной Дороги.
Созданный для комплексного исследования контактных элементов токоприемников стенд реализован в лаборатории «Контактные сети, линии электропередачи и токосъем» ОмГУПСа и используется в учебных и научных целях.
Апробация работы. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Иркутск, 2005), на IV международном симпозиуме «Eltrans-2007» - «Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте» (Санкт-Пе-
тербург, 2007), на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе. Кадровое и научно-техническое обеспечение процессов интеграции в мировую транспортную систему» (Новосибирск, 2007), на V всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы» (Иркутск, 2007), на научно-технических семинарах кафедры «Теоретическая механика» ОмГУПСа в 2005 - 2008 гг.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в шести печатных работах, которые включают в себя четыре статьи и два тезиса докладов, получены три патента на полезные модели. Материалы диссертации вошли в отчет по научно-исследовательской работе, выполненный по заказу ОАО «Российские железные дороги».
Структура л объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка из 151 наименования и одного приложения и содержит 150 страниц основного текста, 11 таблиц и 69 рисунков.
Особенности конструктивного исполнения полозов
Все токоприемники, несмотря на отличие в конструктивном исполнении, состоят из четырех основных узлов [20, 21]: - основания, выполненного в виде рамы, покоящейся на опорных изоляторах; - подвижной системы, состоящей из легких подвижных рам, шарнирно соединенных между собой; - верхнего узла, представляющего собой совокупность кареток (или заменяющегося их устройства) и одного или двух полозов с контактными элементами; - механизма подъема-опускания, состоящего из системы рычагов, пневматического привода, редукционного или электропневматического клапана, пружин подъема и опускания. Нормальная работа токоприемника возможна при условии, если основные параметры перечисленных узлов строго увязаны между собой и удовлетворяют следующим требованиям: - высокая механическая прочность, малые размеры основания, надежная изоляция его от заземленных частей электровоза; /— малая приведенная масса системы подвижных рам, достаточная механическая прочность, малое трение в шарнирных соединениях подвижной системы и боковая устойчивость ее против колебаний и вибраций; - возможно малая приведенная масса и небольшая «парусность» верхнего узла и большая подвижность относительно верхнего шарнира; - простая конструкция механизма подъема и опускания, надежность его работы, возможность дистанционного управления подвижной системой при всех условиях работы.
Каретка — элемент конструкции токоприемника, который должен обеспечивать упругое перемещение полоза относительно верхнего шарнира системы подвижных рам и предназначен для уменьшения влияния, в процессе взаимодействия, инерции рам путем упругого расчленения масс, чтобы безотрывно отрабатывать небольшие неровности на контактных проводах, а при определенных параметрах выбирать и межпролетные стрелы провеса.
Многообразие конструкций кареток позволяет классифицировать их (рис. 1.12) следующим образом [20]. 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). По типу и качеству применяемых упругих элементов каретки бывают: с цилиндрическими пружинами, работающими на сжатие, растяжение, закручивание; с плоскими пружинами; с резиновыми упругими элементами; с 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, друг с другом: синхронизированные; несинхронизированные. По связи кареток, несущих разные полоза: связанные; не связанные. 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. Каретки
Наибольшее количество рассмотренных технических решений относится к рычажному способу крепления эластичных элементов [22 - 26], что позволяет обеспечить практически любой требуемый ход каретки, но несколько усложняет ее конструкцию.
Пружинный способ крепления является самым простым в сравнении с рассмотренными выше способами [27 - 29]. Анализ известных конструкций показывает, что ни в одной из кареток нет удовлетворительного сочетания простоты и легкости конструкции, с одной стороны, и достаточной эластичности — с другой, что в одинаковой мере необходимо для обеспечения качественного токосъема. Кулисный (с направляющей) способ крепления [30, 31] также достаточно прост, но обладает одним существенным недостатком - это заклинивание в направляющей при появлении горизонтальной поперечной силы, появляющейся от трения при перемещении контактного провода, по поверхности полоза и сходе провода на рог.
По типу и качеству упругих элементов рассмотренная информация распределяется следующим образом. Самыми многочисленными по применению в конструкциях кареток являются цилиндрические пружины, главное достоинство которых - обеспечение ими постоянной жесткости в рабочем диапазоне пружины и простота их изготовления [32 - 34].
Применение в каретках токоприемников пружин, работающих на закручивание, позволяет избежать применения дополнительных рычагов, передающих усилия этих пружин на полоз и поддерживающих его в горизонтальном положении, или сократить количество дополнительных пружин, выполняющих ту же функцию, но работающих на сжатие (растяжение) [30, 35].
Хотя листовые пружины не обладают постоянной жесткостью, но позволяют исключить узлы трения и в значительной степени упрощают конструкцию каретки токоприемника, а значит, и уменьшают ее массу; что является весьма желательным для обеспечения качественного токосъема при высоких скоростях движения электроподвижного состава [27, 28, 36, 37].
Наличие в каретках резиноупругих элементов (сайлент-блоков, торсио-нов) в качестве пружинных элементов, не только снижает их массу, но и уменьшает вибрацию в точке электрического контакта, возникающую при движении подвижного состава [36, 38, 39]. Но из-за имеющихся недостатков, таких как нелинейность характеристики, сложность в эксплуатации, воздействие метеорологических условий на характеристику и срок службы упругого элемента, широкого распространения в эксплуатации они не получили.
Замена в конструкции каретки металлических пружин на пневматические улучшает качество токосъема за счет получения возможности регулирования их (кареток) характеристик путем изменения давления сжатого воздуха в пневматических элементах. Причем этот процесс можно осуществлять автоматически. Недостатком этого элемента является необходимость монтажа питающей пневматической магистрали, а также необходимость защиты его от солнечной радиации и прожога при некачественном токосъеме (например, при гололеде) [40]. Синхронизация кареток по связи друг с другом при расположении последних по концам полоза, обеспечивает их одновременную работу независимо от расположения контактного провода на полозе, что значительно повышает надежность работы особенно на воздушных стрелках, сопряжениях анкерных участков и в кривых. Синхронизация может быть осуществлена с помощью: синхронизирующих тяг и рычагов, пневматических элементов, обеспечивающих постоянную работу полоза токоприемника в горизонтальном положении посредством обратной связи, выравнивающей давление в пневматических цилиндрах кареток [41], или при помощи датчиков, отслеживающих изменение горизонтальности полоза [40].
Из всего многообразия кареток следует выделить конструкции, обладающие увеличенным свободным ходом (до 300 мм) [26], которые выполняются как асимметричные полупантографы или штанги с использованием уравнительных тяг, для сохранения горизонтальности рабочей поверхности полоза во всем рабочем диапазоне. Применение этих кареток затруднено из-за увеличения вертикального габарита электроподвижного состава и требует специальной ниши для токоприемников в кузове локомотива.
В настоящее время все же наибольшее распространение получили не-синхронизированные конструкции кареток, что доказывает большой объем технической информации по этим устройствам [24, 24, 32, 36, 42]. Это связано с тем, что при всех достоинствах синхронизированных кареток, они обладают существенным недостатком - увеличением приведенной массы токоприемника, что ведет к ухудшению его динамических свойств, за счет применения дополнительных синхронизирующих устройств, что также усложняет конструкцию кареток.
Факторы, влияющие на качество токосъема
Принято, что на процесс токосъема действуют следующие факторы: массы и геометрические параметры подвижных частей токоприемника, коэффициент трения скольжения в контакте, траектория провисания и стрела провеса контактного провода, длина пролета, амплитуда и частота вертикальных колебаний подвижного состава, аэродинамическая подъемная сила.
Расчет характеристики контактного нажатия с учетом воздействия со стороны контактного провода и основания токоприемника Под характеристикой контактного нажатия понимается зависимость максимального и минимального контактного нажатия в пролете от скорости движения электроподвижного состава (частоты вертикальных колебаний контактного элемента токоприемника) [126]. На расчетной схеме (рис. 2.3) приняты следующие обозначения: жкс — жесткость контактной подвески в точке контакта; гкс - коэффициент вязкого трения в контактной подвеске; жсвязи - жесткость, имитирующая упругие связи в контактной подвеске; ткс - масса контактной подвески, сосредоточенная над одним полозом; ткэ - масса полоза токоприемника; wk3 - сила сухого трения контактного элемента; жкэ - жесткость пружины контактного элемента; жш - жесткость пружины штанги; тш - масса штанги каретки; тк - масса каретки; wK - сила сухого трения каретки; жк - жесткость пружины каретки; тр - масса системы подвижных рам; wp - сила сухого трения в системе подвижных рам; гр - коэффициент вязкого трения в системе подвижных рам; Рр - статическое нажатие токоприемника; Рвр и Рвл - аэродинамическая сила, воздействующая на систему подвижных рам и полоз токоприемника; Vnc - скорость движения подвижного состава; уосн - отклонение основания
Кинематическая схема взаимодействия токоприемника с контактной подвеской токоприемника в вертикальном направлении; ур - высотное положение рамы токоприемника; ук - высотное положение каретки; укэ) и укэ2 - высотное положение первого и второго по ходу движения полоза; укс0 - высотное положение контактного провода при отсутствии под ним токоприемника; си и а2 - угол поворота штанги первого и второго по ходу движения полоза. В расчетах приняты следующие допущения: - рамы и штанги токоприемника и необрессоренные части являются абсолютно твердыми, в связи, с чем отсутствует необходимость учета упругих деформаций штанг и рам токоприемника, которые имеют незначительную величину и слабо влияют на процесс токосъема; - контактные элементы движутся безотрывно по контактному проводу, что позволяет не рассчитывать траектории движения контактного провода и контактных элементов в отдельности, а также не учитывать ударный процесс при соприкосновении контактного элемента с контактным проводом; - контактная подвеска принята упругой и представляется дискретной моделью; - контактные элементы перемещаются только вертикально (незначительное перемещение в горизонтальном направлении принимается равным нулю, так как оно вызывается упругими деформациями в рамах и штангах токоприемника, которые не учитываются согласно первому допущению).
В расчетную схему токоприемника введены штанги каретки (рис. 2.4), конструкция которых отличается от реальной, предполагающей наличие поддерживаемого нажимной пружиной параллелограмма.
Для реальной штанги каретки экспериментально получена зависимость силы нажатия в точке закрепления пружины каретки от угла поворота штанги (рис. 2.5, линия 1). У расчетной штанги получена теоретическая зависимость (рис. 2.5, линия 2), которая совпадает с экспериментальной с коэффициентом корреляции 0,998. Полученные параметры штанги: 1] = 0,07 м, 12 = 0,15 м, Із = 0,05 м, 1ш0 = 0,0667 м, жш = 29 кН/м. Здесь 1ш0 - длина пружины штанги при отсутствии внешних нагрузок.
Влияние со стороны стрелы провеса контактного провода заключается в изменяющихся по длине пролета жесткости контактной подвески и высотного положения контактного провода при отсутствии под ним токоприемника. Это влияние возрастает с увеличением скорости движения подвижного состава. Высотное положение контактной подвески КС-200-06 в пролете и ее жесткость получены экспериментально с использованием оборудования вагона-лаборатории для испытания контактной сети на перегоне Лихославль — Калашникове Октябрьской железной дороги (рис. 2.6). Для учета изменяющейся жесткости контактной подвески в зависимости от положения подвижного состава в пролете может быть использовано ее разложение в ряд Фурье.
Получаем коэффициенты: " Ф ао=-р .Kc(x)dx; пр - up (2.1) ак = т- j3KM(jx)cos(k x)dx, пр -1пр где /пр - длина пролета контактной подвески; к - номер гармонической составляющей в жесткости контактной подвески; ак - амплитуда косинусоидальнои составляющей k-ой гармоники; bk - амплитуда синусоидальной составляющей k-ой гармоники. кН/м Ж„
Технические нормы на верхний узел токоприемников электроподвижного состава
С помощью разработанной математической модели взаимодействия получены зависимости среднеквадратического отклонения (СКО) контактного нажатия токоприемника от скорости движения при различной жесткости каре ток полоза. Расчет СКО контактного нажатия произведен для токоприемника SSS87-RZD, жесткость верхнего узла которого равна 6,0 кН/м. Полученные значения (рис. 2.17) совпадают с результатами линейных испытаний (рис. 2.18) на участке Лихославль — Калашниково. Кроме того, для данного токоприемника определена оптимальная жесткость верхнего узла, равная 4,5 кН/м. Из полученных кривых видно, что на скорости 220 км/ч наблюдается резонанс, приводящий к увеличению СКО контактного нажатия токоприемника. Уменьшение влияния резонанса можно добиться уменьшением жесткости верхнего узла, однако чрезмерное уменьшение жесткости приводит к сдвигу и увеличению резонанса в сторону меньших скоростей.
Также для токоприемника SSS87-RZD определены зависимости СКО контактного нажатия от скорости при различных значениях приведенной массы токоприемника (рис. 2.19) и массы неподресоренных контактных элементов (рис. 2.20). Из кривых следует, что изменение массы контактных элементов оказывает значительное влияние на СКО контактного нажатия — при скорости движения до 300 км/ч предпочтительными являются контактные элементы с минимально возможной массой. Однако уменьшение массы контактных элементов токоприемника позволяет сдвинуть зону резонанса в сторону более вы соких скоростей движения электроподвижного состава. Увеличение приведенной массы токоприемника приводит к появлению резонанса на скорости 280 км/ч; уменьшение приведенной массы позволяет снизить изменение СКО контактного нажатия.
Зависимость СКО контактного нажатия от скорости движения при различной приведенной массе токоприемника Введение в верхний узел токоприемника элементов вторичного подрессоривания позволяет для скорости до 250 км/ч уменьшить значение СКО контактного нажатия в два раза и практически исключить резонанс на скорости 220 км/ч (рис. 2.21). При этом наименьшее СКО контактного нажатия соответствует жесткости каретки и элементов вторичного подрессоривания равной 3,0 и 3,0 кН/м соответственно (рис. 2.22).
Оценка влияния ширины полоза на неравномерность контактного нажатия по пластинам полоза в зависимости от скорости движения производилась для двух конструктивных решений: для полоза (рис. 2.23), когда рога закреплены на раме (математическая модель ОмГУПСа - В.М. Павлов [130-13 2] )и для полоза (рис. 2.24), выполненного по схеме, представленной в предлагаемой математической модели. Из результатов расчета видно, что увеличение ширины полоза ведет к стабилизации контактного нажатия по контактным элементам, причем с увеличением скорости необходима большая ширина полоза. і
Зависимость неравномерности нажатия по контактным элементам от ширины полоза (математическая модель) 2.6. Оценка адекватности разработанной математической модели
Методы математической статистики позволяют с большой достоверностью судить о грубых опытах и адекватности модели при любом числе факторов и при использовании любого плана эксперимента.
Проверку адекватности математической модели эксперименту произведем с помощью критерия Фишера [133]: ал F = ТГТ ртабл С2-37) где Saa- дисперсия адекватности, S {у} - дисперсия эксперимента, FTa6n - табличное значение критерия Фишера. Дисперсия адекватности определяется по выражению 2 Узі_Умі (2.38) где уэ І - экспериментальное значение функции, ум ; - значение функции математической модели, f - число степеней свободы, равное числу опытов, не использованных для определения каких-либо характеристик: f = п-1, п - число опытов (измерений). Дисперсия эксперимента вычисляется по формуле S2{y} = 1 —, (239) i=l где Sf- дисперсия в і-том опыте. Проверка однородности дисперсий F = p FTa6jI. (2.40)
Для определения адекватности разработанной математической модели расчета взаимодействия токоприемника с контактной сетью, рассчитаны зависимости контактного нажатия токоприемника на контактный провод от скорости движения электроподвижного состава (см. рис. 2.16 и 2.17), используя принятые исходные данные токосъемных устройств. Полученные зависимости сравниваются с данными, полученными в ходе линейных испытаний данной системы токосъема на участке Лихославль — Калашниково Октябрьской железной дороги в 2007 г.
Методика испытаний контактных элементов токоприемников
К недостаткам известных полозов токоприемников, эксплуатирующихся в настоящее время, можно отнести их большую приведенную массу и значительное переходное сопротивление между коробами и контактными элементами, что приводит к снижению динамических свойств токоприемника и уменьшению его нагрузочной способности.
Снижение массы токоприемника за счет уменьшения массы рам и деталей верхнего узла возможно вследствие применения дорогостоящих материалов, обладающих меньшим удельным весом, а снижение полной массы полоза возможно только за счет уменьшения массы контактных элементов. Необходимость этого связана с увеличением скоростей движения свыше 200 км/ч, при этом возрастает мощность электроподвижного состава, а число токоприемников из условий резонанса уменьшается до двух. Поэтому значение снимаемых полозом токов вырастает и для их передачи требуется большое число контактных вставок, а их полная масса соответственно увеличивается, что недопустимо при высоких скоростях, поэтому необходимо иметь контактные элементы из материалов, позволяющих снимать максимальный ток при минимальной собственной массе. Для устранения этих недостатков в ОмГУПСе [135] разработан полоз токоприемника электроподвижного состава (рис. 3.1), содержащий контактные элементы 1, установленные на коробах 2, соединенных с каркасом 3 полоза посредством пружинных элементов 4 и фиксирующих стержней 5, установленных с зазором в нижней части пазов 6, расположенных по обоим концам коробов 2. При этом контактные элементы 1 выполнены неоднородными по ширине так, что участок, равный величине двойного зигзага контактного провода, шире остальной части, а непосредственно к их концам, загнутым вниз от контактирующей поверхности, через отверстия 7 прикреплены токовые шунты, которые при минимальном прогибе пружинных элементов 4 располагаются ниже контактирующей поверхности.
Предлагаемый полоз токоприемника работает следующим образом. При взаимодействии токоприемника с контактной подвеской происходит отвод тягового тока с полоза непосредственно от контактных элементов 1 посредством закрепленных на них через отверстия 7 токовых шунтов, исключая тем самым переходное сопротивление между контактными элементами 1 и коробами 2 полоза, которые соединены с каркасом 3 посредством пружинных элементов 4 и фиксирующих стержней 5, установленных с зазором в нижней части пазов 6, расположенных по обоим концам коробов 2.
Контактный элемент 1, содержащий боковые отверстия 7 для крепления токовых шунтов, имеет ширину d2 на участке, равном двойному зигзагу контактного провода, а ширина dj принимается из расчета максимального рабочего тока. Таким образом, неоднородность контактного элемента по ширине дает выигрыш в массе, что улучшает динамические характеристики полоза.
Использование предлагаемого полоза токоприемника электроподвижного состава позволяет снимать большие тяговые токи, за счет исключения переходного сопротивления между коробом и контактными элементами, а также улучшает динамические свойства полоза за счет снижения массы контактных элементов.
Кроме перечисленных выше недостатков к некоторым полозам токоприемников можно также отнести их постоянную ширину, что приводит к снижению динамических свойств токоприемника (контактного нажатия) и уменьшению его нагрузочной способности. При эксплуатации токоприемников с большими скоростями за счет аэродинамического воздействия и сил трения контактных элементов о контактный провод происходит повышенный механический износ набегающего края полоза и отрыв сбегающего края от контактного провода (повышенный электрический износ - возникновение искрения и прожоги полоза).
Для устранения этих недостатков в ОмГУПСе [136, 137] предложен следующий полоз токоприемника электроподвижного состава (рис. 3.2), способный изменять свою ширину в зависимости от скорости движения электроподвижного состава или от величины контактного нажатия токоприемника на контактный провод. Однако чрезмерное увеличение ширины полоза ведет к ухудшению его инерционных характеристик, а, следовательно, и динамических свойств всего токоприемника.
Полоз токоприемника электроподвижного состава содержит контактные элементы 1, установленные на коробах 2, соединенных с каркасом 3 полоза посредством пружинных элементов 4, а также блок 5 изменения ширины полоза от скорости движения.
Предлагаемый полоз токоприемника работает следующим образом. В процессе эксплуатации стрелы провеса контактного провода отслеживаются с помощью пружинных элементов 4, соединяющих короба 2, на которых расположены контактные элементы 1, с каркасом 3.
При взаимодействии токоприемника с контактной подвеской на стоянке и при малых скоростях движения за счет регулировки элементов блока 5 изменения ширины полоз имеет фиксированную стандартную ширину (400 мм), что обеспечивает возможность прохода секционных изоляторов и других специальных элементов контактной сети. При увеличении скорости движения электроподвижного состава более 100 км/ч контактные элементы 1, расположенные на коробах 2, начинают расходиться в стороны (до 600 мм) за счет встречного воздушного потока воздействующего на блок 5 изменения ширины полоза, стабилизируя контактное нажатие на набегающем и сбегающем краях полоза. Блок 5 изменения ширины полоза от скорости движения электроподвижного состава может быть выполнен различным образом, например, с использованием аэродинамических экранов, связанных с коробами 2 системой рычагов. При уменьшении скорости движения электроподвижного состава контактные элементы 1 сходятся за счет элементов блока 5 изменения ширины полоза (например, возвратной пружины), тем самым, уменьшая ширину полоза для прохождения специальных частей контактной подвески.
Использование предлагаемого полоза токоприемника электроподвижного состава позволяет стабилизировать нажатие токоприемника на контактный провод за счет изменения ширины, обеспечивая равномерный износ контактных элементов, и снимать большие тяговые токи за счет улучшенных динамических свойств полоза.
