СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ИЗНОСА КОНТАКТНОЙ ПАРЫ - КОНТАКТНЫЙ ПРОВОД И ТОКОСЪЕМНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ТОКОПРИЕМНИКА ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА
METHOD OF DECREASING WEAR OF CONTACT PAIR, CONTACT WIRE, AND CURRENT COLLECTOR OF ELECTRIC ROLLING STOCK

Изобретение относится к электрическому оборудованию транспортных средств, в частности к контактной паре - контактный провод и токосъемный элемент полоза токоприемника электроподвижного состава (ЭПС), движущегося со скоростями менее 90 км/час. Изобретение может быть применено на токоприемниках электровозов, моторных вагонах электропоездов и трамваях.
Известно, что износ контактного провода и токосъемных элементов полоза каретки - верхнего узла токоприемника объясняется механическими и электрическими причинами (И.А.Беляев, Б.Г.Бердзенишвили, В.П.Михеев, В.А.Шиян. Токоприемники электроподвижного состава. М.: Транспорт, 1970 г. стр.13). При металлических токосъемных элементах полоза преобладает механический износ. С ростом нажатия (давления) в контакте износ токосъемного элемента и контактного провода увеличивается. При угольных токосъемных элементах преобладает электрический износ, вызванный электрической эрозией, поэтому его снижению способствует увеличение удельного контактного нажатия.
Для уменьшения механического износа токосъемного элемента полоза и контактного провода необходимо уменьшать контактное нажатие. Однако, при слишком малом контактном нажатии, увеличивается вероятность отрыва токосъемного элемента от контактного провода, что приводит к искрообразованию между ними и электрической эрозии контактной пары (электрическому износу).
Практически установлены оптимальные значения диапазонов статического нажатия 5,5-13 кг для токоприемников постоянного тока и 4,5-10,5 кг для токоприемников переменного тока. В этих диапазонах значений статического нажатия для определенных условий эксплуатации токоприемников и их конструкции рассчитывают его оптимальное значение, что обеспечивает меньший износ контактной пары - контактный провод и токосъемный элемент полоза токоприемника ЭПС. Задача изобретения - дополнительно уменьшить механический износ контактной пары и при оптимальном статическом нажатии токоприемников на контактный провод при скоростях движения ЭПС менее 90 км/час.
Известен способ съема тока с контактного провода с помощью нажатия токосъемного элемента полоза токоприемника на контактный провод. Токосъемный элемент, содержащий контактную вставку и металлический корпус (СССР, авт. св. 1397323 от 03.05.1988.). Вставка выполнена в форме бруса прямоугольного сечения из прессованного угля, которая закреплена основанием в металлическом корпусе. Основанием такого бруса является одна из его боковых граней. У основания бруса с двух противоположных боковых граней выполнены выступы в форме «ласточкина хвоста», обеспечивающие жесткое крепление вставки в корпусе. Контактной поверхностью токосъемной вставки служит верхняя грань бруса.
Известен способ съема тока с контактного провода с помощью нажатия контактной вставки полоза токоприемника на контактный провод. Контактная вставка имеет корпус и угольную вставку прямоугольного поперечного сечения, нижнее основание которой выполнено в виде «ласточкина хвоста». В корпусе токосъемная вставка крепится жестко с помощью «ласточкина хвоста». Корпус токосъемного элемента крепится к полозу каретки токосъемника (США, пат. №4578546, B60L 5/29. «Вставка для токового силового пантографа». Публикация от 25.03.1986).
Известен способ съема тока с контактного провода с помощью нажатия токосъемного элемента полоза токоприемника на контактный провод. Токосъемный элемент содержит металлический корпус и закрепленную в нем контактную вставку, которая выполнена в виде бруса из углесодержащего материала. У основания, нижней грани бруса, выполнены выступы в виде «ласточкина хвоста», которые жестко закреплены в металлическом корпусе (RU, пат. №2168422, B60L 5/08. Бюл. №16, 10.06.2001). Кроме того, контактная поверхность контактной вставки выполнена в виде дуги радиусом 2-5 м и имеет заходную часть, угол наклона которой к основанию бруса составляет 30-60°.
Известен способ съема тока с контактного провода с помощью нажатия токосъемного элемента полоза токоприемника на контактный провод. Токосъемный элемент содержит металлический корпус и контактную углесодержащую вставку (RU, пат. №2184041, B60L 5/08. Бюл. №18, 27.06.2002). Основание вставки выполнено в виде «ласточкина хвоста», жестко закрепленного в корпусе. Кроме того, контактная поверхность вставки выполнена дугообразной формы, радиусом 2-5 м. Вставка имеет заходную часть, угол наклона которой к его основанию пластины составляет 30-60°, причем в продольном сечении основание имеет форму трапеции с углом наклона к горизонтали 5-15°.
min
max
Известен способ съема тока с контактного провода с помощью нажатия контактной вставки полоза токоприемника на контактный провод. Контактная вставка содержит металлический корпус, выполненный в виде равнобочной трапеции, и размещенную в нем составную углесодержащую вставку с контактной поверхностью и заходной частью. У основания вставки выполнены выступы в виде «ласточкина хвоста» (RU, пат. №2229395, B60L 5/08. Бюл. №15, 27.05.2004). Кроме того, центральная контактная часть вставки на длине (0,4-0,6) меньшего основания трапеции корпуса выполнена параллельной этому основанию. На остальной части малого основания трапеции высота центральной части вставок монотонно убывает, заходная часть контактной вставки описана ветвью параболы с формулой у=(0,2-0,4)х, где у - текущая ширина вставки; х - текущее приращение высоты вставки от h до h. Стыки торцов центральных и крайних частей вставок выполнены под углом 45° к горизонту.
Известен способ съема тока с контактного провода с помощью нажатия токосъемного элемента на контактный провод. Токосъемный элемент содержит корпус и контактную вставку, выполненную в форме бруса с основанием, боковой и контактной поверхностью и с симметричными по ее краям заходным и сходным участками (Ю.Э.Купцов. Увеличение срока службы контактного провода. М.: Транспорт, 1972 г., стр.90-91 и СССР авт. св. №1397323, B60L 5/08. Публ. 23.05.1988 г.). Основание вставки токосъемного элемента выполнено в виде «ласточкина хвоста», контактная поверхность выполнена параллельно основанию бруса, а между контактной и боковой поверхностями выполнены заходный и сходный участки в виде фасок. При частичном износе контактной поверхности фаски пропадают, и эксплуатация токосъемного элемента осуществляется при отсутствии заходной части, что приводит быстрому износу сходной части. Это увеличивает ударные нагрузки в крайних заходных и сходных участках контактной поверхности токосъемного элемента токоприемника, что приводит к его повышенному износу и механическому разрушению.
Известен способ съема тока с контактного провода с помощью нажатия токосъемного элемента полоза токоприемника на контактный провод. Токосъемный элемент содержит металлическое основание и контактную вставку. Токосъемный элемент выполнен в форме бруса с основанием, боковой поверхностью и контактной поверхностью с симметричными по его краям заходным и сходным участком контактной поверхности (RU, пат. №2337840, B60L 5/08. Бюл. №31, 10.11.2006). Боковая и контактная поверхности вставки выполнены выпуклыми, с профилем поперечного сечения, ограниченного кривой, которая описывается зависимостью:
n
h=Н(1-|2b/В|), где
В - ширина вставки, мм;
Н - высота вставки, мм;
b - текущая ширина вставки, которая изменяется от -В/2 до +В/2;
h - расстояние от основания вставки до любой точки на огибающей кривой ее поперечного сечения;
n - коэффициент, определяющий степень кривизны профиля выпуклой поверхности вставки, значения которого могут изменяться в пределах 2-4.
Общий недостаток аналогов изобретения - повышенный механический износ контактной пары - контактный провод и токосъемный элемент полоза токоприемника при малых скоростях их относительного перемещения (менее 90 км/час) по сравнению с их относительно большими скоростями (более 150 км/час).
Нажатие контактного элемента на контактный провод является общим признаком всех аналогов и предлагаемого изобретения.
На чертеже приведена зависимость силы трения скольжения F от скорости V для стальной пары в пределах 0-90 км/час, записанная непосредственно в системе координат «сила трения - скорость» (А.С.Ахматов. Молекулярная физика граничного трения. М.: ГИЗ ФМЛ, 1963 г. Стр.355, рис.289). Этот график подтверждает факт повышенного трения контактной пары, а следовательно, и ее повышенный износ при скоростях движения ЭПС менее 90 км/час.
Уменьшение трения между контактной парой при скоростях движения ЭПС более 90 км/час обусловлено возникновением вибраций (колебаний) элементов контактной пары при этих скоростях относительного перемещения (обоснование этого утверждения приведено там же, стр.354 и рис.288).
Задача изобретения - уменьшение механического износа за счет уменьшения трения между контактным проводом и токосъемный элементом токоприемника при скоростях их относительного перемещения до 90 км/час, при прочих равных условиях (конструкции токосъемных элементов - вставок, их материале и материале контактных проводов и величине контактного нажатия).
Скорости ЭПС до 90 км/час преобладают на городском электроподвижном транспорте (трамвай) и на электроподвижном транспорте на местных и междугородних железных дорогах в России.
Технический результат изобретения - уменьшение механического износа контактной пары при скоростях их взаимного перемещения менее 90 км/ час - достигается при прочих равных условиях.
Следовательно для уменьшения трения при скоростях движения ЭПС до 90 км/час необходимо возбудить звуковые колебания токосъемного элемента в поперечном или продольном направлениях.
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что производят нажатие токосъемного элемента на контактный провод, после чего возбуждают поперечные или продольные колебания полоза с контактными элементами или каретки токоприемника звуковыми колебаниями с частотой, лежащей в полосе частот ±25% от резонансной частоты собственных поперечных или продольных колебаний полоза или каретки.
Устройство, реализующее изобретение, содержит токоприемник, контактный провод, генератор электрических колебаний звуковой частоты и генератор звуковых излучений. Генераторы электрически соединены между собой. Генератор звуковых излучений жестко крепится на каретке токоприемника, когда токосъемный элемент на полозе закреплен жестко, или на токосъемном элементе, когда он на полозе подрессорен.
Частота генератора электрических колебаний, равная частоте колебаний генератора звуковых излучений, должна находиться в пределах не менее полуширины кривой графика собственных резонансных частот подрессоренного токосъемного элемента или полоза токоприемника. Другими словами, частота колебаний звуковых излучений должна находиться в полосе частот ±25% собственных резонансных частот поперечных или продольных колебаний полоза или каретки.
В качестве генератора звуковых излучений может быть применен акустический излучатель, выполненный из слоев электропроводящего и диэлектрического материалов. Нечетные слои акустического излучателя выполнены из электропроводящего материала. Четные слои акустического излучателя выполнены из диэлектрического материала, i-e слои акустического излучателя соединены с первой входной клеммой акустического излучателя, где I=4(N+1/4), N=0, 1, 2,…, а остальные выполненные из электропроводящего материала слои акустического излучателя соединены со второй входной клеммой акустического излучателя (RU, патент №2174289, H04R 17/00, 21.07.99).
В качестве источника звукового излучения также может быть применена пленка высокоомного пьезополупроводника, полученная осаждением непосредственно на низкоомный монокристаллический звукопровод или другим способом. Генератор электрических колебаний одним выводом соединяется с наружным электродом, приложенным с одной стороны пленки, а вторым - со звукопроводом, на торце которого прикреплена пленка высокоомного пьезополупроводника (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Гл. ред. И.П.Голямина. - М.: Сов. Энциклопедия. 1979, стр.252).
Отличительные признаки изобретения
Возбуждают поперечные или продольные колебания полоза с контактными элементами или каретки токоприемника частотой звуковых колебаний, лежащей в полосе частот ±25% от резонансной частоты собственных поперечных или продольных колебаний полоза или каретки.