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.
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 из углеграфитового материала (патент RU 2130390, МПК B60L 5/08, опубл. 20.05.1999), 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 недостаткам 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.
Известна контактная вставка (патент RU 120051, МПК В60L 5/08, опубл. 10.09.2012 г.) 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).
Известна контактная вставка токосъемников троллейбусов (патент RU 160387, МПК B60L 5/08, опубл. 20.03.2016 г.), выполненная в виде пластины из спрессованного порошкового композиционного материала на основе углеграфита с рабочей частью, соответствующей профилю контактного провода, с размещенным в ней токопроводящим элементом в виде вкладыша из композита типа углеграфит - сплав алюминия, расположенного в рабочей части контактной вставки, с электрическим сопротивлением на порядок меньшим, чем у углеграфита.
Недостатком данной контактной вставки является использование композита в сочетании со сплавом алюминия, который имеет большее (по сравнению с медью) электрическое сопротивление и твердость, что при износе вкладыша негативно сказывается на износе контактного провода.
Наиболее близкой является контактная вставка токосъемников троллейбусов (патент RU 160301, МПК B60L 5/08, опубл. 10.03.2016 г.), выполненная в виде пластины из спрессованного порошкового композиционного материала на основе углеграфита с рабочей частью, соответствующей профилю контактного провода, с размещенным в ней токопроводящим элементом - вкладышем из композита типа углеграфит - сплав меди, выполненным в виде бруска с поперечным сечением в форме трапеции, с электрическим сопротивлением на порядок меньшим, чем у углеграфита, расположенным в рабочей части контактной вставки и зафиксированным двумя вертикально расположенными медными штифтами.
Недостатком устройства является небольшой срок службы контактной вставки и ощутимый износ контактной сети.
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, с размещенным в ней токопроводящим элементом - вкладышем из композита типа углеграфит - сплав меди, с электрическим сопротивлением на порядок меньшим, чем у углеграфита, расположенным в рабочей части контактной вставки и зафиксированным двумя вертикально расположенными медными штифтами, при этом вкладыш выполнен в виде цилиндра, полученного мундштучным прессованием и расположен на 1-1.5 мм ниже уровня рабочей поверхности контактной вставки.
Расположение токопроводящего элемента (вкладыша) в рабочей части контактной вставки на 1-1.5 мм ниже уровня ее рабочей поверхности и выполнение его в виде цилиндра из композита типа углеграфит - сплав меди, полученного мундштучным прессованием, с электрическим сопротивлением на порядок меньшим, чем у углеграфита позволяет снизить электрическое сопротивление контактной вставки и увеличить ее износостойкость. Цилиндрическая форма вкладыша обеспечивает его устойчивую фиксацию в выполненном в контактной вставке отверстии, а два вертикально расположенных медных штифта дополнительно фиксируют токопроводящий элемент и обеспечивают более эффективную передачу электрической энергии на энергетическую систему троллейбуса.
Расположение цилиндрического вкладыша на 1-1.5 мм ниже уровня рабочей поверхности контактной вставки при динамической нагрузке обеспечивает прирабатывание каждого токосъемного узла (в части цилиндрического вкладыша) к особенностям контактного провода, что в свою очередь обеспечивает лучшее взаимодействие контактирующих поверхностей, повышение эффективности работы контактной вставки.
Структура цилиндрического вкладыша полученного мундштучным прессованием обеспечивает наиболее щадящее воздействие на контактные провода троллейбусных линий, при сохранении эксплуатационных показателей на оптимальном уровне.
На фиг. 1 изображена предлагаемая вставка в продольном разрезе; на фиг. 2 - вставка, вид сбоку; на фиг. 3 - вставка, поперечный разрез.
Контактная вставка токосъемников троллейбусов выполнена в виде пластины 1 из спрессованного порошкового композиционного материала (КМ) на основе углеграфита, имеющей симметричные профилированные раструбы 2 на торцах и рабочей частью 3 в виде желоба, соответствующей профилю контактного провода 4, с размещенным в рабочей части 3 на 1-1.5 мм ниже уровня рабочей поверхности контактной вставки токопроводящим элементом 5, выполненным в виде вкладыша цилиндрической формы, полученного мундштучным прессованием из композита типа углеграфит - сплав меди, с электрическим сопротивлением на порядок меньшим, чем у углеграфита. Токопроводящий элемент 5 установлен в отверстии и зафиксирован с помощью двух вертикально расположенных медных штифтов 6.
Выполненный в виде цилиндра токопроводящий элемент 5 составляет 9-12% от ее объема контактной вставки, не нарушает целостности и качества контактной сети и обеспечивает на порядок снижение электрического сопротивления контактной вставки при сохранении износостойкости и высоких смазочных свойств.
Токопроводящий элемент 5 выполнен в виде цилиндра из композита, полученного мундштучным прессованием образовавшейся при высверливании отверстия углеграфитовой стружки со смесью 40:60 крупки на основе М00 (40%) и сплавом на основе меди в виде крупки 0,015 мм, содержащим фосфор, цинк в качестве поверхностно-активного вещества и железо в качестве инокулятора при следующем соотношении компонентов (мас. %):
Фосфор
4,0-8,0
Цинк
0,5-12,5
Железо
0,5-1,5
Медь
Остальное.
Доля металлической составляющей в композите вкладыша не более 14%.
Мундштучное прессование обеспечивает равномерное распределение медной крупки в объеме токопроводящего элемента 5 и его оптимальные прочностные характеристики.
Технология изготовления контактных 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 контактных 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 рабочей части подготовленной вставки выполняют цилиндрическое отверстие по длине контактной вставки длинной 70 мм и диаметром 8 мм, соответствующее параметрам токопроводящего элемента 5 и два вертикальных сквозных отверстия через которые вкладыш фиксируется с помощью двух медных штифтов 6.
В полученное отверстие вставляют цилиндрический токопроводящий элемент 5, с предварительно выполненными в нем отверстиями, соответствующими отверстиям в контактной вставке, и фиксируют с помощью двух медных штифтов 6.
Объемная доля этого токопроводящего элемента 5, выполненного из композиционного материала составляет 9-12% от объема контактной вставки. При этом ширина токопроводящего элемента 5, выполненного в виде вкладыша-цилиндра не превышает поверхности взаимодействия с контактным проводом 4.
Контактная вставка работает следующим образом.
После установки ее в токоприемник троллейбуса и поджатия с усилием 11,8-14,2 кг обеспечивается плотный контакт ее с контактным проводом и съем с него тока и передача через электрическую цепь токоприемника на энергетическую систему троллейбуса, как в статическом положении, так и при движении.
Как показали экспериментальные исследования, предлагаемые вкладыши для вставок троллейбусов по своим эксплуатационным характеристикам значительно превышают соответствующие характеристики прототипа, при этом как поверхность токосъема самой вставки, так и поверхность контактного медного провода остаются чистыми, гладкими, не имеют следов взаимного переноса материала и электрокоррозии поскольку схватывания с контактным проводом не происходит.
Из мировой практики использования троллейбусных вставок, изготовленных из КМ, оптимальным считается доля металлической составляющей 30-35% (Берент В.Я. Материалы и свойства электрических контактов в устройствах железнодорожного транспорта - М., Интекст, 2005. - С. 408.), однако, это относится ко всему объему троллейбусной вставки, которая изготовлена из металопропитанного углеграфита. Данное техническое решение позволяет уменьшить дорогостоящую металлическую составляющую (сплав меди) до 14% в токопроводящем элементе, при обеспечении повышенных эксплуатационные характеристик контактной вставки токосъемников троллейбусов.
При содержании токопроводящего элемента менее 9,0% от объема контактной вставки не происходит существенной экономии электрической энергии в процессе работы контактной вставки.
Если содержание токопроводящего элемента составляет более 12,0% от объема контактной вставки, то такая вставка больше изнашивает контактную сеть и ее эксплуатационные технические характеристики не соответствуют нормам эксплуатации.
При содержании токопроводящего элемента от 9,0% до 12,0% от объема контактной вставки достигается необходимое значение электрического сопротивления и увеличивается срок службы вставки и контактной сети.
Были экспериментально исследованы технологические характеристики контактных вставок токосъемников троллейбусов с токопроводящими элементами, выполненными в виде цилиндрических вкладышей, полученных мундштучным прессованием. Исследования проводились при движении троллейбуса со средней скоростью 15-17 км/ч. В качестве технологических характеристик исследовались: электрическое сопротивление, срок службы и пробег при эксплуатации. Результаты исследования приведены в таблице.
Из таблицы видно, что контактная вставка по примерам 2-4 является более энергосберегающей, т.к. позволяет более экономно и эффективно использовать электрическую энергию за счет меньшего электрического сопротивления материала и обладает повышенной износостойкостью. Контактная вставка по примеру 1 обладает более высоким электросопротивлением, что приводит к перерасходу электроэнергии и соответственно снижению ее эффективности. При использовании контактной вставки по примеру 5 наблюдаются значительное уменьшение электрического сопротивления материала, а также значительное повышение износостойкости, что приводит к износу контактного провода.
Таким образом, использование контактной вставки токосъемников троллейбусов, выполненной в виде пластины из спрессованного порошкового композиционного материала на основе углеграфита с рабочей частью, соответствующей профилю контактного провода, с размещенным в ней токопроводящим элементом - вкладышем, выполненным в виде цилиндра, полученного мундштучным прессованием из композита типа углеграфит - сплав меди, с электрическим сопротивлением на порядок меньшим, чем у углеграфита, расположенным в рабочей части контактной вставки на 1-1.5 мм ниже уровня ее рабочей поверхности и зафиксированным двумя вертикально расположенными медными штифтами, позволяет снизить электрическое сопротивление вставки при увеличении ее износостойкости, что увеличивает срока службы контактной вставки и контактных проводов троллейбусных линий.