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 железнодорожного транспорта - М.: Интекст, 2005. - С. 408), выполненная в виде пластины с рабочей частью, соответствующей форме контактного провода, и симметричными горцами.
Однако недостатком такой конструкции является невозможность снижения электрического сопротивления вставки путем изменения составляющих ее ингредиентов, а также невысокая износостойкость вставки.
Известна контактная вставка (Патент РФ №2130390 МКИ B60L 5/08, опубл. 20.05.1999 г.) 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 РФ №120051 МКИ 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, смазочными свойствами и обеспечивающей долговечность контактных проводов троллейбусных линий.
Техническим результатом настоящей полезной модели является снижение электрического сопротивления при увеличении износостойкости контактной вставки токосъемников троллейбусов.
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 из композиционного материала, с электрическим сопротивлением меньшим, чем у углеграфита, при этом токопроводящий элемент выполнен в виде вкладыша из композита типа углеграфит - сплав алюминия, расположенного в рабочей части контактной вставки, с электрическим сопротивлением на порядок меньшим, чем у углеграфита.Расположение токопроводящего элемента в рабочей части контактной вставки и выполнение его в виде вкладыша из композита типа углеграфит - сплав алюминия, с электрическим сопротивлением на порядок меньшим, чем у углеграфита позволяет снизить электрическое сопротивление контактной вставки и увеличить ее износостойкость.
На фиг. 1 изображена предлагаемая вставка в продольном разрезе; на фиг. 2 - вставка, вид снизу; 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 токопроводящим элементом 5, выполненным в виде вертикального вкладыша из композита типа углеграфит - сплав алюминия, с электрическим сопротивлением на порядок меньшим, чем у углеграфита. Выполненный в виде вкладыша токопроводящий элемент 5 фиксируется с помощью штифта 6.
Выполненный в виде вкладыша токопроводящий элемент 5 составляет 15-20% от ее объема контактной вставки, не нарушает целостности и качества контактной сети и обеспечивает снижение электрического сопротивления контактной вставки при сохранении износостойкости и высоких смазочных свойств.
Токопроводящий элемент 5 выполнен в виде вкладыша из композита типа углеграфит - сплав алюминия, содержащего кремний, никель, хром, ванадий и свинец при следующем соотношении компонентов (мас. %):
Кремний
11,0-13,0
Никель
0,5-3,0
Хром
0,5-2,0
Свинец
0,1-1,5
Ванадий
0,01-0,3
Алюминий
Остальное.
Доля сплава алюминия в композите вкладыша не более 14%. При этом, электрическое сопротивление композита типа углеграфит - сплав алюминия на порядок меньше, чем у углеграфитовой основы.
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)°C; время прессования 1,5-3 мин; температура и время термической стабилизации вставки соответственно (180±5)°C, (30-40) мин.
В рабочей части подготовленной вставки (заготовки) выполняют продольный вертикальный вырез на всю высоту контактной вставки, соответствующий параметрам токопроводящего элемента 5 и поперечное сквозное отверстие в области выреза.
В полученный вырез вставляют токопроводящий элемент 5 в виде вкладыша, с предварительно выполненным в нем сквозным отверстием, соответствующем отверстию в контактной вставке, и фиксируют его металлическим штифтом 6, диаметр которого соответствует сквозным отверстиям вставки и вкладыша.
Объемная доля этого токопроводящего элемента 5, выполненного из композиционного материала составляет 15-20% от объема контактной вставки. При этом ширина токопроводящего элемента 5, выполненного в виде вкладыша не превышает поверхности взаимодействия с контактным проводом 4.
Контактная вставка работает следующим образом. После установки ее в токоприемник троллейбуса и поджатая усилием 11,8-14,2 кг обеспечивается плотный контакт ее с контактным проводом 4 (фиг. 3), съем с него тока и передача через электрическую цепь токоприемника на энергетическую систему троллейбуса, как в статическом положении, так и при движении.
Во время движения троллейбуса со скоростью до 70 км/ч вставка с размещенным в ней токопроводящим элементом, выполненным в виде вкладыша из композита типа углеграфит - сплав алюминия, 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 низких скоростях движения металлическая составляющая токопроводящего элемента равномерно распределена в объеме вкладыша, при этом размер пор заполненных сплавом составляет 30-120 мкм. Это положительно влияет на снижение электросопротивления в 10 раз по сравнению с базовым углеграфитом, обеспечивая при этом высокие скользящие характеристики, при минимальном износе контактного провода.
Как показали экспериментальные исследования при выполнении токопроводящего элемента в виде вкладыша, предлагаемые контактные вставки 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 4 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%, однако это относится ко всему объему троллейбусной вставки, которая изготовлена из металопропитанного углеграфита (см. Берент В.Я. Материалы и свойства электрических контактов в устройствах железнодорожного транспорта - М.: Интекст, 2005. - С. 408). Данное техническое решение позволяет уменьшить дорогостоящую металлическую составляющую (в нашем случае сплав алюминия) до 14% в токопроводящем элементе, что соответствует 2-3% от объема всей вставки, при обеспечении повышенных эксплуатационные характеристик контактной вставки токосъемников троллейбусов.
При содержании токопроводящего элемента менее 15,0% от объема контактной вставки не происходит экономии электрической энергии в процессе работы контактной в ставки.
Если содержание токопроводящего элемента составляет более 20,0% 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 15,0% до 20,0% 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 вкладышей. 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 из спрессованного порошкового композиционного материала на основе углеграфита с размещенным в ней токопроводящим элементом из композита типа углеграфит - сплав алюминия, с электрическим сопротивлением на порядок меньшим, чем у углеграфита, выполненным в виде вкладыша в рабочей части контактной вставки, позволяет снизить электрическое сопротивление вставки при увеличении ее износостойкости.