Контактная вставка токосъемников троллейбусов

Полезная модель относится к электротехническим устройствам для силовых цепей транспортных средств с электротягой и предназначено для использования в качестве вставок токосъемников троллейбусов.
В токосъемниках троллейбусов используются контактные вставки, отличающиеся по конструкции (форме профиля торца, конфигурации поперечного сечения), материалу (угольно-графитовые, металлические и металлокерамические), а также распределению металлической составляющей в объеме вставки и т.д.
Использование того или иного типа вставок определяется техническими характеристиками: снижением электрического сопротивления при той же износостойкости, механической прочностью, высокой электропроводностью, искрением при обеспечении долговечности контактных проводов троллейбусных линий, а также их себестоимостью, являющейся часто определяющей для потребителя.
Вместе с тем, несмотря на перечисленные конструкционные отличия, а также различия в использовании материалов (композиций) при изготовлении контактных вставок, можно выделить общий конструктивный признак вставок - их однослойность (мономатериал).
Известна однослойная конструкция угольно-графитовой контактной вставки "стандартная МТРЗ" (см. Ивин К.В., Трофимов А.Н., Энгельс Г.Г. Токосъем городского наземного транспорта. - М.: Изд-во литературы по строительству, 1965. - С. 115; рис. 56) в виде пластины с рабочей частью, соответствующей профилю контактного провода, изготовленная из композиционного материала на основе графита.
К недостаткам данной контактной вставки относятся низкая износостойкость и механическая прочность; причем повышение прочности и износостойкости путем увеличения связующего в составе токопроводящего композиционного материала приводит к увеличению электрического сопротивления и снижению эксплуатационных характеристик, ограничивая ее применение.
Известна контактная вставка (см. Берент В.Я. Материалы и свойства электрических контактов в устройствах дорожного транспорта - М.: Интекст, 2002. - С. 408), выполненная в виде пластины с рабочей частью, соответствующей форме контактного провода, и симметричными торцами.
Однако недостатком такой конструкции является невозможность снижения электрического сопротивления вставки путем изменения составляющих ее ингредиентов, а также невысокая износостойкость вставки.
Известна контактная вставка (патент RU 2130390, МПК B60L 5/08, опубл. 20.05.1999) является контактная вставка из углеграфитового материала, изготовленная для токосъемников троллейбусов. Контактная вставка изготовлена двуслойной. Верхний слой с рабочей поверхностью, соответствующей профилю контактного провода, выполнен из композиционного материала на основе графита. Нижний слой выполнен из композиционного материала на основе графита с металлической добавкой в виде порошка.
Положительной стороной данной конструкции вставки является то, что она мало изнашивает контактную сеть, выполнена из доступных материалов и имеет малую себестоимость.
К отрицательным сторонам данной вставки можно отнести ее низкую износостойкость и механическую прочность; причем повышение прочности и износостойкости путем увеличения количества связующего в составе токопроводящего композиционного материала приводит к увеличению электрического сопротивления и снижению эксплуатационных характеристик, ограничивая ее применение.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (патент RU 120051, МПК B60L 5/08, опубл. 10.09.2012 г.) является вставка в виде пластины из спрессованного порошкового композиционного материала на основе углеграфита с рабочей частью, соответствующей профилю контактного провода, причем в контактной вставке размещен токопроводящий элемент, составляющий 3-5% от ее объема и выполненный из композиционного материала с электрическим сопротивлением меньшим, чем у углеграфита.
Положительной стороной данной конструкции вставки является то, что она имеет невысокое Электрическое сопротивление, в 2-3 раза меньшее, чем у основы углеграфита из которого она изготовлена.
К недостаткам данной контактной вставки относятся, то что токопроводящий элемент, из-за своего невысокого процентного соотношения по объему вставки из углеграфита, не достигает максимального износа вставок (из-за концентраторов напряжения в виде отверстий в теле вставки).
Задачей технического решения является разработка конструкции контактной вставки токосъемников троллейбусов обладающей высокими износостойкими и смазочными свойствами.
Техническим результатом настоящей полезной модели является увеличение срока службы контактной вставки и контактных проводов троллейбусных линий (контактной сети).
Указанный технический результат достигается при использовании контактной вставки токосъемников троллейбусов, выполненной в виде пластины из спрессованного порошкового композиционного материала на основе углеграфита с рабочей частью, соответствующей профилю контактного провода, и размещенным в ней токопроводящим элементом, составляющим 3-5% от объема вставки, выполненным из композиционного материала с электрическим сопротивлением, меньшим, чем у углеграфита, при этом на поверхности контактной вставки выполнено двухслойное гальваническое покрытие, состоящее из внутреннего медного и наружного кадмиевого слоев.
Сущность технического решения заключается в нанесении на контактную вставку двухслойного гальванического покрытия, которое, не нарушая целостности и качества контактной сети, позволяет снизить износ контактной вставки за счет снижения электрического сопротивления, увеличения коррозионной стойкости и прочности при сохранении ее высоких смазочных свойств.
На фиг. 1 изображена контактная вставка, общий вид; на фиг. 2 контактная вставка вид сверху; на фиг. 3 - контактная вставка, поперечный разрез.
Предлагаемая контактная вставка токосъемников тролейбусов состоит из пластины 1 имеющей заходную часть 2 с симметричными профилированными раструбами 3 на торцах, рабочую часть в виде желоба 4, контактирующую с контактным медным проводом 5 и токопроводящий элемент 6 расположенный симметрично на рабочей части 4, и составляющий 3- 5% от объема вставки. Токопроводящий элемент 6 выполнен из композиционного материала с электрическим сопротивлением меньшим, чем у углеграфита. На поверхности контактной вставки выполнено двухслойное гальваническое покрытие 7 составляющее от объема вставки не более 1%, состоящее из внутреннего медного и наружного кадмиевого слоев.
Технология изготовления вставок троллейбусов является традиционной и включает операции дробления и измельчения исходных компонентов, их смешивание в Z-образных смесителях или иных типах смесителей. При заполнении ячеек пресс-форм шихтой используют метод объемного дозирования. Последовательность заполнения зависит от геометрической формы нижнего пуансона пресс-формы; если нижний пуансон является формообразующим поверхности с желобом, то вначале ячейки заполняют угольно-графитовой шихтой, т.е. композиционным составом на основе графита.
Если формообразующую контактную поверхность с желобом образует верхний пуансон, то порядок засыпки шихты обратный - вначале засыпают шихту с композиционным материалом на основе графита.
2
Прессование вставок проводят по известному технологическому режиму: удельное давление прессования - 180-300 кг/см; температура изотермического прессования - (180±5)°С; время прессования 1,5-3 мин; температура и время термической стабилизации вставки соответственно (180±5)°С, (30-40) мин.
В подготовленной вставке выполняют четыре отверстия 8, которые соединяют пазами со стороны рабочей части 4 и с обратной поверхности пластины 1 - изготавливают профилированный канал, который заполняют токопроводящим элементом 6 выполненным из композиционного материала, в виде жгута, каната и т.д., концы которого, фиксируют с обратной поверхности пластины 1, например, в виде стежка. Объемная доля токопроводящего элемента 6, выполненного из композиционного материала составляет 3-5% от объема контактной вставки.
Затем, на поверхность вставки наносят двухслойное гальваническое покрытие 7, внутренний слой которого состоит из меди, а наружный из хрома. Для получения двухслойного гальванического покрытия, состоящего из внутреннего медного и наружного хромового слоев необходим медный электролит состоящий из медного купороса 200 г/л и серной кислоты 70 г/л. Анодами являются две медных пластины, катодом является сама углеграфитовая вставка. Устанавливают силу тока на 1А и в таком режиме проводят электролиз в течение 2 часов. После нанесения медного покрытия на него наносится гальваническое кадмиевое покрытие. Для этого используется емкость, наполненную предварительно нагретым до 20-30°С кадмиевым электролитом, состоящим из 60-65 г/л сернокислого кадмия, 30-35 г/л сернокислого аммония, 25-30 сернокислого алюминия и 0,6 г/л столярного клея или желатина. Аноды выполнены из электролитического чистого кадмия и соединены между собой медной проволокой. Подключение к источнику постоянного тока аналогично ванне меднения. Сила тока устанавливается в 2А, затем вставка погружается в электролит и осуществляют электролиз в течение 30 минут.
Гальванический способ нанесения покрытия позволяет нанести на поверхность вставки тонкие слои особо чистых металлов. Внутренний медный слой за счет снижения электрического сопротивления увеличивает проводимость вставки, что позволяет увеличить срок службы вставки и контактной сети, а так же является необходимым условием для нанесения наружного кадмиевого слоя, так как на углеграфитовую поверхность гальваническое нанесение слоя кадмия не представляется возможным. Наружный слой кадмия защищает ее от разрушения, коррозии, увеличивает прочность и износостойкость вставки, что также обеспечивает увеличение срока службы вставки и контактной сети. При этом использование каждого слоя по-отдельности не приводит к желаемому результату: медный слой снижает сопротивление, но обладает низкой износостойкостью, в результате чего срок службы вставки не увеличивается, кадмиевый слой обеспечивает повышение износостойкости вставки, но понижает электропроводность, что уменьшает срок службы вставки и контактной сети. Кроме этого, нанесение кадмиевого слоя непосредственно на углеграфит технически не возможно.
Двухслойное гальваническое покрытие составляет до 1% от объема вставки. Наиболее оптимальной по количеству металлической составляющей является толщина двуслойного покрытия в интервале от 0,25 мкм до 0,30 мкм. При данной толщине двухслойного покрытия достигается самое оптимальное соотношение сроков службы вставки и контактной сети. Так, при толщине двухслойного гальванического покрытия менее 0,25 мкм наблюдается сохранение приемлемого значения электрического сопротивления, а так же незначительное повышение износостойкости, что является недостаточным для срока службы вставки, так как такая вставка будет мало отличаться от стандартной углеграфитовой вставки по своим механическим характеристикам. Если толщина двухслойного покрытия более 0,30 мкм, то такая вставка больше изнашивает контактную сеть и ее эксплуатационные технические характеристики не соответствуют нормам эксплуатации.
Одновременная работа обоих слоев двухслойного покрытия (пластичного медного и твердого кадмиевого) наиболее эффективна для работы троллейбусной вставки в сложных зимних условиях эксплуатации.
Работает вставка контактная следующим образом. После установки ее в токоприемник троллейбуса и поджатия усилием 11,8-14,2 кг обеспечивается плотный контакт вставки с контактным проводом, съем с него тока и передача через электрическую цепь токоприемника на энергетическую систему троллейбуса, как в статическом положении, так и в движении. Во время движения троллейбуса со скоростью до 70 км/ч вставка обладает низким коэффициентом трения скольжения за счет того, что в ее материале присутствуют три вида твердой смазки, которые последовательно с увеличением скорости включаются в работу. При повышении скорости и увеличении при этом температуры в зоне контакта провода со вставкой включается в работу медная часть токопроводящего элемента 6 и наконец, при более высоких скоростях движения в процесс включаются углеродные волокна, прочность которых ниже прочности меди, а температура плавления 3700°С.
Нанесенное двухслойное гальваническое покрытие положительно влияет на снижение электросопротивления в 8 раз по сравнению с базовым углеграфитом, защищает токопроводящий элемент от износа особенно в осеннее-зимний период когда избыточная влага разрушает углеграфит, при этом, гальваническое покрытие защищает углеграфитовую поверхность вставки от разрушения при сохранении высоких скользящих характеристик, при минимальном износе контактного провода.
Как показали экспериментальные исследования, предлагаемые токопроводящие элементы для вставок троллейбусов по своим эксплуатационным характеристикам значительно превышают соответствующие характеристики аналогов и прототипа, при этом как поверхность токосъема самой вставки, так и поверхность контактного медного провода 5 остаются чистыми, гладкими, не имеют следов взаимного переноса материала и электрокоррозии поскольку доля токопроводящего элемента 6 составляет 17,5% (<20%) от поверхности трения и при этом с контактным проводом нет схватывания, а нанесение двухслойного гальванического покрытия 7 в виде «рубашки» состоящего из внутреннего слоя меди и наружного слоя кадмия позволяют увеличить прочностные и защитные характеристики вставки, а так же дополнительно снизить ее электросопротивление.
Профилированные раструбы 3 вставки подвержены сильному механическому износу при эксплуатации. Нанесение двухслойного гальванического покрытия позволяет снизить износ.
Были экспериментально исследованы технологические характеристики контактных вставок токосъемников троллейбусов с двухслойным покрытием из меди и кадмия нанесенного гальваническим способом. Исследования проводились при движении троллейбуса со средней скоростью 15-17 км/ч. В качестве технологических характеристик вставки исследовались: электрическое сопротивление, срок службы и пробег при эксплуатации. Результаты исследования приведены в таблице.
Из таблицы видно, что повышенными сроками службы обладают контактные вставки по примерам 2-4. Однако, при использовании контактной вставки по примеру 4 наблюдается значительный износ контактного провода, что снижает срок его службы. Следовательно, использование контактной вставки по примеру 4 не желательно.
Таким образом, выполнение на поверхности контактной вставки токосъемников троллейбусов из спрессованного порошкового композиционного материала на основе углеграфита с размещенным в ее рабочей части токопроводящим элементом из композита типа углеграфит - сплав меди, с электрическим сопротивлением на порядок меньшим, чем у углеграфита, двухслойного гальванического покрытия из внутреннего медного и наружного кадмиевого слоев, позволяет увеличить срок службы контактной вставки и контактной сети.