ЗАЗЕМЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОВОЗА

Область техники
Полезная модель относится к заземляющему устройству, в частности для использовании на электровозе.
Уровень техники
Для обеспечения нормальной работы электровоза ток от приемного конца отводится в землю через оси, колеса и рельсы посредством заземляющего устройства. Принцип работы заземляющего устройства электровоза основан на тесном фрикционном контакте неподвижной графитовой щетки с вращающимся медным диском, обеспечивая протекание тока через них с образованием цепи. Обычно для обеспечения тесного фрикционного контакта между графитовой щеткой, имеющей фиксированное положение относительно вращающегося медного диска, используется прижимное усилие пружины, приложенное к графитовой щетке.
Срок службы (износ) графитовой щетки и фрикционного медного диска зависит не только от материалов, из которых они изготовлены, и от величины их относительного смещения, но также достаточно сильно зависит от величины прижимного усилия для обеспечения их тесного контакта. При постоянном прижимном усилии, чем больше относительное смещение между щеткой и диском (чем длиннее траектория перемещения графитовой щетки по торцевой поверхности фрикционного медного диска), тем больше их износ в единицу времени и короче срок службы. Когда относительное смещение между графитовой щеткой и фрикционным медным диском постоянно, чем больше прикладываемое прижимное усилие, тем больше величина их износа в единицу времени и короче срок службы. Наоборот, когда прижимное усилие постоянно, чем ближе к наружному краю поверхности фрикционного медного диска, тем больше износ. Когда относительное смещение графитовой щетки и фрикционного медного диска постоянно, чем меньше прикладываемое прижимное усилие, тем меньше их износ в единицу времени и длиннее срок службы. Для обеспечения нормальной непрерывной работы электровоза в течение заданного периода времени графитовая щетка и фрикционный медный диск должны обладать достаточно долгим сроком службы, поэтому требуется приложение небольшого прижимного усилия к графитовой щетке в разумных пределах.
Рабочее напряжение электровоза составляет от одного до нескольких десятков киловольт, рабочий ток составляет от десятков до нескольких сотен ампер. Для обеспечения нормальной работы заземляющего устройства, исключения горения и абляции из-за резкого роста температуры, поскольку выделяется большое количество тепла от протекания тока от десятков ампер до нескольких сотен ампер, которое приводит к резкому ухудшению состояния смазки между графитовой щеткой и фрикционным медным диском и к значительному сокращению срока службы заземляющего устройства, необходимо снизить сопротивление и контактное сопротивление заземляющего устройства. Общее рабочее сопротивление заземляющего устройства обычно составляет всего несколько мОм, падение напряжения при этом происходит всего на несколько вольт.
В статическом состоянии сопротивление и контактное сопротивление обычного заземляющего устройства полностью соответствует требованиям работы при больших токах. При движении электровоза происходят удары и вибрации, а прикладываемое к графитовой щетке прижимное усилие постоянно, однако при достаточно сильной вибрации происходит отсоединение графитовой щетки от фрикционного медного диска. В это время электрическая цепь между графитовой щеткой и фрикционным медным диском прерывается и напряжение между ними сразу поднимается от одного до нескольких десятков киловольт, т.е. между графитовой щеткой и фрикционным медным диском заземляющего устройства оказываются под полным рабочим напряжением электровоза. При сильной вибрации расстояние между отделенной графитовой щеткой и фрикционным медным диском очень мало, при этом они находятся под высоким напряжением, так что легко образуется электрическая дуга, и происходит абляция, что приводит к резкому ухудшению состояния смазки между ними и значительному сокращению срока службы этого заземляющего устройства.
Для снижения вероятности отделения графитовой щетки от фрикционного медного диска во время вибрации необходимо увеличивать прижимное усилие между ними, однако увеличение прижимного усилия приводит к повышению износа графитовой щетки и фрикционного медного диска и сокращению срока службы заземляющего устройства. Таким образом, увеличение срока службы графитовой щетки и фрикционного медного диска, а также гашение электрической дуги между ними находятся в противоречии, так что уменьшение прижимной силы, увеличивая срок службы, повышает вероятность образования электрической дуги, и наоборот, увеличение прижимной силы, уменьшая вероятность образования электрической дуги, сокращает срок службы.
Задачей полезной модели является создание заземляющего устройства электровоза, не имеющего недостатков известных устройств, а также исключающего во время работы образования абляций и сильной вибрации этого устройства, обеспечивая проводимость этого устройства и увеличивая его срок службы.
Раскрытие полезной модели
Поставленная задача решается в заземляющем устройстве электровоза, содержащем корпус, неподвижно установленный в нем держатель и установленный в этом держателе набор графитовых щеток, концы которых посредством провода соединены с электропроводным контактом на держателе.
Согласно полезной модели набор графитовых щеток включает в себя графитовую щетку заземления и графитовую щетку гашения электрической дуги, причем между держателем и концами щеток заземления и гашения электрической дуги установлены пружины для обеспечения плотного фрикционного контакта других концов этих щеток с вращающимся медным диском.
Такое выполнение устройства позволяет обеспечить приложение разного давления к фрикционному медному диску графитовой щеткой заземления и графитовой щеткой гашения электрической дуги, в частности, давление между графитовой щеткой заземления и фрикционным медным диском меньше давления между графитовой щеткой гашения электрической дуги и фрикционным медным диском. Меньшее прижимное давление между щеткой заземления и фрикционным медным диском способствует малому износу при большем перемещении щетки заземления относительно фрикционного медного диска, что увеличивает срок службы щетки заземления. Большее давление, прикладываемое щеткой гашения электрической дуги к фрикционному медному диску, позволяет избежать отсоединения щетки гашения электрической дуги от фрикционного медного диска при работе с сильной вибрацией. Так, даже при возникновении из-за вибрации мгновенного плохого контакта щетки заземления с фрикционным медным диском щеткой гашения электрической дуги предотвращается образование электрической дуги и не происходит горение заземляющего устройства.
Давление, прикладываемые графитовой щеткой заземления к фрикционному медному диску, и давление, прикладываемое графитовой щеткой гашения электрической дуги к фрикционному медному диску, находятся в пределах от 10 кПа до 40 кПа, что определено в документе JB/T4003-2001 «Электрическая щетка для мотора» Стандарта машиностроения.
Предпочтительно в центре держателя выполнено отверстие, в котором установлена щетка гашения электрической дуги, а по окружности этого держателя равномерно установлены несколько щеток заземления. Установка графитовой щетки гашения электрической дуги в центре держателя позволяет максимально уменьшить её перемещение относительно фрикционного медного диска, что снижает износ и увеличивает срок службы.
При этом равномерно по окружности держателя установлены по меньшей мере две щетки заземления.
Предпочтительно между концом щетки заземления и держателем установлена пружина из нержавеющей стали с постоянным коэффициентом упругости для обеспечения плотного фрикционного контакта другого конца этой щетки с вращающимся медным диском, а между концом щетки гашения электрической дуги и держателем установлена пружина сжатия для обеспечения плотного фрикционного контакта другого конца этой щетки с вращающимся медным диском.
Концы щетки заземления и щетки гашения электрической дуги по отдельности соединены проводами с держателем. При этом щетка заземления пропускает ток заземления в первый контур, а щетка гашения электрической дуги – во второй контур.
Предпочтительно проводимость щетки заземления выше проводимости щетки гашения электрической дуги. Выполнение щетки заземления с относительно лучшей проводимостью способствует уменьшению выделения теплоты при протекании рабочего тока через щетку, предотвращая при этом горение.
Предпочтительно износостойкость щетки гашения электрической дуги выше износостойкости щетки заземления, что позволяет контролировать износ при относительном перемещении щетки и фрикционного медного диска под действием относительно большого давления.
Относительное перемещение между щеткой заземления и фрикционным медным диском больше относительного перемещения между щеткой гашения электрической дуги и фрикционным медным диском, а прикладываемое щеткой заземления давление к фрикционному медному диску меньше давления, прикладываемого щеткой гашения электрической дуги к фрикционному медному диску. Меньшее прижимное давление между щеткой заземления и фрикционным медным диском позволяет обеспечить малый износ щетки заземления ее при большем перемещении относительно фрикционного медного диска, что увеличивает срок службы щетки заземления. Большее давление между щеткой гашения электрической дуги и фрикционным медным диском позволяет избежать отсоединения щетки гашения электрической дуги от фрикционного медного диска в условиях сильной вибрации. Так даже при возникновении мгновенного плохого контакта из-за вибрации щетки заземления и фрикционного медного диска происходит гашение электрической дуги посредством щетки гашения электрической дуги, предотвращая образование электрической дуги и горение устройства заземления.
Расположение щетки заземления и щетки гашения электрической дуги на держателе в разных местах и приложение разного давления между щеткой заземления и фрикционным медным диском и между щеткой гашения электрической дуги и фрикционным медным диском позволяют обеспечить длительный срок службы щетки заземления и предотвращение образования электрической дуги и горения из-за высокого напряжения между ними после отсоединения щетки заземления от фрикционного медного диска, что могло бы привести к значительному сокращению срока их службы из-за ухудшения поверхности трения.
Полезная модель поясняется чертежами.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана схема заземляющего устройства электровоза согласно полезной модели;
на фиг. 2 – сечение по линии А-А на фиг.1.
Осуществление полезной модели
Как показано на фиг. 1 и 2, заземляющее устройство электровоза содержит корпус 1 и неподвижно закрепленный в нем держатель 2, в котором установлены щетка 31 заземления и щетка 32 гашения электрической дуги. Концы указанных щеток посредством проводов соединены с электропроводным контактом, закрепленным на держателе 2. В центре держателя 2 выполнено отверстие, в котором установлена щетка 32 гашения электрической дуги. Три щетки 31 заземления установлены в держателе 2 равномерно по его окружности, при этом между концами этих щеток 31 заземления и держателем 2 установлены пружины 41 из нержавеющей стали с постоянным коэффициентом упругости для обеспечения плотного фрикционного контакта других концов этих щеток 31 с вращающимся медным диском. Между щеткой 32 гашения электрической дуги и держателем 2 установлена пружина сжатия 42 для обеспечения плотного фрикционного контакта другого конца этой щетки 32 с вращающимся медным диском. Между щеткой 31 заземления и медным диском и между щеткой 32 гашения электрической дуги и указанным медным диском прикладываются разные усилия, так что давление щетки 31 заземления на фрикционный медный диск меньше давления щетки 32 гашения электрической дуги на этот медный диск. Кроме того, электропроводность щетки 31 заземления выше электропроводности щетки 32 гашения электрической дуги, при этом щетка 31 заземления помогает контролировать количество выделяемого тепла при протекании рабочего тока через графитовую щетку для предотвращения горения. Износостойкость щетки 32 гашения электрической дуги выше износостойкости щетки 31 заземления, при этом указанная щетка 32 помогает контролировать износ из-за относительного движения через контакт с фрикционным медным диском при относительно высоком давлении.
При работе устройства заземления благодаря наличию трех щеток 31 заземления, установленных равномерно по окружности держателя 2, и наличию щетки 32 гашения электрической дуги, установленной в отверстии в центре держателя 2, давление щетки 31 заземления на фрикционный медный диск меньше давления щетки 32 гашения электрической дуги на этот медный диск. Меньшее прижимное усилие между щеткой 31 заземления и фрикционным медным диском способствует малому их износу при большом их относительном перемещении, что позволяет увеличить срок службы щетки заземления. Большее прижимное усилие между щеткой 32 гашения электрической дуги и фрикционным медным диском способствует предотвращению вибрации между ними, даже при отделении щетки 31 заземления от фрикционного медного диска не происходит отделение щетки 32, и обеспечивается нормальная электропроводность.  Кроме того, большее прижимное усилие между щеткой 32 гашения электрической дуги и фрикционным медным диском обеспечивает больший износ щетки 32 гашения электрической дуги по сравнению со щеткой 31 заземления, при этом щетку гашения электрической дуги можно изготовить из материала с высокой износостойкостью. Меньшее относительное перемещение между щеткой 32 гашения электрической дуги и фрикционным медным диском гарантирует малый износ, так что можно обеспечить более длительный срок службы и щетки 31 заземления, и щетки 32 гашения электрической дуги. Наличие щетки 32 гашения электрической дуги позволяет избежать образования электрической дуги и горения из-за высокого напряжения между ними после отделения щетки 31 заземления от фрикционного медного диска во время работы с сильной вибрацией, которое приводит к ухудшению поверхности трения и сокращению срока их службы.
Представленный пример выполнения устройства является предпочтительным, но не ограничительным. Возможно внесение любых изменений без выхода за рамки полезной модели.