Устройство токопитающей шины для ходовой тележки вагона надземной монорельсовой транспортной системы

Полезная модель относится к транспортному машиностроению, в частности к транспортным системам с путевой структурой, родственной путям подвесного и эстакадного типов, и может быть использована при создании скоростных пассажирских вагонов монорельсовой транспортной системы для больших городов и междугородных сообщений, в том числе в условиях сильнопересеченной местности, гор, пустынь, а также в городских условиях параллельно с существующими видами транспорта.
В частности, полезная модель касается конструктивного исполнения устройства токопитающей шины для ходовых тележек вагона надземной монорельсовой транспортной системы, который подвешен в двух точках к ходовым тележкам, располагаемым внутри ходовой балки монорельсового пути полузамкнутого сечения. Ходовая балка транспортной системы (путевая балка) состоит из коробчатого несущего элемента с продольным пазом снизу, который обхватывает ходовую часть вагона (ходовые тележки). Несущие металлические листы образуют дорожки, по которым катятся опорные колеса и направляющие ролики. Также внутри балки установлена система токоподвода для питания электродвигателя/лей ходовых тележек. Данная конструкция обладает существенным преимуществом, так как сама ходовая тележка, балка и необходимое для эксплуатации оборудование, в том числе и токопитающая/щие шина, защищены от влияния погодных факторов (например, снегопадов).
Особенностью такой монорельсовой транспортной системы является то, что ходовые тележки изолировано находятся внутри коробчатого пути, на боковых стенках которого размещены токопитающие шины.
Известно устройство токопитающей шины для ходовой тележки надземной монорельсовой транспортной системы, содержащее токоподводящую шину, размещенную на боковой вертикально ориентированной боковой стенке путевой балки монорельсовой дороги навесного типа, выполненной в виде коробчатого элемент с П-образной формой поперечного сечения с продольным пазом в нижней части, и представляющую собой расположенную по длине токопроводящую полосу, установленную в корпус, прикрепленный к вертикально ориентированной боковой стенке путевой балки и обращенную рабочей поверхностью на противоположно расположенную боковую стенку путевой балки монорельсовой дороги навесного типа (см. ст. "Троллейный токоподвод KBHF", выложенную в сети Интернет на сайте  компании ООО ПКФ "ОВЕ" в режиме он-лайн доступа по адресу: http://www.pkfove.ru/tokopodvody.html, обнаружено декабрь 2017 г. ) (копия страницы сайта прилагается).
Известное устройство токопитающей шины для ходовой тележки применяется для тихоходных талей или лебедок, которые используются в качестве грузоподъемного механизма для транспортировки изделия в пределах рабочей зоны производственной структуры. Именно предельно малые скорости перемещения ходовой тележки обуславливают простоту конструкции токопитающей шины в виде закрепленной на боковой стенке пути токопроводящей полосы. При медленном перекатывании ходовой тележки происходит прямой контакт башмака токоприемника с полосой. На малых скоростях ходовая тележка практически не подвергается внешним силам, в том числе инерционным, что позволяет считать, что контакт постоянно имеется, так как ходовая тележка не совершает поперечных смещений.
Но такие решения не подходят к ходовым тележкам, имеющим достаточно большую скорость перемещения. В этом случае происходит нагрев полосы из-за трения и повышается ее износ. Кроме того, при повышенных скоростях на тележку начинают действовать инерционные силы, которые при прохождении поворотов смещают тележку от одного борта пути к другому. В этом случае может произойти разрыв контакта.
Ходовые тележки вагонов надземной монорельсовой транспортной системы надземной монорельсовой транспортной системы, используемых для перевозки пассажиров, перемещаются со скоростью от 40 км/час и более. При таком движении ходовая тележка совершает поперечные колебания, в результате чего сила прижатия контактного башмака к токопроводящей полосе постоянно меняется вплоть до отрыва башмака от этой полосы на определенном участке пути. Эти негативные воздействия разрушают токоподводящую полосу. Ко всему прочему, из-за трения повышается износ полосы на участках наиболее частого контакта башмака токоприемника с полосой.
Изнашивание элементов скользящего контакта - сложный электромеханический процесс. Для удобства изучения износ разделяют на электрический и механический. Такое разделение весьма условно, поскольку электрические и механические явления в контакте взаимозависимы. Электрический износ вызывается электрической эрозией металла, т.е. испарением и выбросом металла под воздействием искровых и дуговых разрядов. Он зависит не только от плотности снимаемого тока, но и от состояния контактирующих поверхностей, так как наличие «жестких» точек, вибрация провода, схватывание и задиры трущихся поверхностей нарушают стабильность контакта, вследствие чего возрастает электрическая эрозия. Механический износ является следствием таких видов воздействия при трении, как абразивное, окислительное, усталостное и др., которые зависят не только от свойств материала контактного провода и токосъемных пластин, но и от состояния их поверхностей. В свою очередь электрическая эрозия вызывает повреждение контактирующих поверхностей и тем самым приводит к возрастанию механического износа.
Износ контактной шины зависит главным образом от материала контактных пластин (вставок) токоприемников. Наибольший износ контактных проводов происходит при медных контактных пластинах, наименьший - при угольных вставках из порошковых и спеченных материалов. Износ шины в основном определяется значением тока, снимаемого токоприемником: с увеличением тока он значительно возрастает. Поэтому на двухпутных участках износ шины на подъемах значительно (иногда в несколько раз) превосходит износ провода на спусках; заметное повышение его наблюдается также в местах трогания и разгона ходовых тележек. Так на однопутных участках при двухстороннем движении средний износ провода примерно на 30% выше, чем на двухпутных при одностороннем движении, ввиду изменения характера механического износа (ст. "Износ контактного провода и мероприятия по его снижению", опубликованная на сайте "HELPIKS.ORG" в сети Интернет в режиме он-лайн доступа).
Для обеспечения плавности перемещения ходовой тележки и гарантированного ее питания в любых условиях (при поломке части токопопитающей шины или на механически изношенных ее участках) необходимо обеспечить надежный контакт, что реализуется применением технологии резервирования. При резервировании поврежденный участок токопопитающей шины восполняется работоспособным участком параллельной или дублирующей шины.
Таким образом, настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении срока службы токопитающей шины за счет сохранения ее токоподводящей функции в случае частичного разрушения этой шины.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве токопитающей шины для ходовой тележки вагона надземной монорельсовой транспортной системы, содержащем токоподводящую шину, размещенную на боковой вертикально ориентированной боковой стенке путевой балки монорельсовой дороги навесного типа, выполненной в виде коробчатого элемент с П-образной формой поперечного сечения с продольным пазом в нижней части, и представляющую собой расположенную по длине токопроводяшую полосу, установленную в корпус, прикрепленный к вертикально ориентированной боковой стенке путевой балки и обращенную рабочей поверхностью на противоположно расположенную боковую стенку путевой балки монорельсовой дороги навесного типа, токопроводящая полоса выполнена в виде трех параллельно расположенных относительно друг друга токопроводящих вставок в виде длинномерных профилей, а корпус выполнен в виде открытого короба с горизонтальными перегородками, образующими посадочные места для установки между ними указанных токопроводящих вставок, каждая из которых выполнена с вогнутой рабочей поверхностью и с тыльной стороны выполнена элементами ее фиксации в полости между полками, а на торцах полок закреплены треугольной формы в поперечном сечении направляющие, вершиной обращенные на противоположно расположенную боковую стенку путевой балки монорельсовой дороги навесного типа.
В устройстве каждая токопроводящая вставка может быть выполнена в виде базового элемента, на который одет тонколистовой металлический кожух с вогнутой рабочей поверхностью. При этом со стороны задней стенки корпуса на полках могут быть выполнены выступы, а на боковых стенках токопроводящей вставки выполнены углубления для размещения выступов при посадке этой вставки в корпус.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - общий вид ходовой тележки монорельсового транспортного средства внутри коробчатого монорельсового пути;
фиг. 2 - общий вид токопитающей шины и токосъемников ходовой тележки;
фиг. 3 - общий вид в аксонометрии токопитающей шины.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается новое техническое решение токопитающей (токоподводящей) шины, размещаемой на боковой стенке коробчатого монорельсового пути навесной транспортной системы.
Путевая балка 1 монорельсовой дороги навесного типа предназначена для перемещения внутри балки полузамкнутого сечения ходовых тележек 2 с подвешенным к ним пассажирским вагоном 3. Эта путевая балка 1 составлена из последовательно соединенных между собой коробчатых несущих элементов с вертикально ориентированными боковыми стенками 4 и с продольным пазом 5 снизу (фиг. 1), несущих горизонтально расположенные металлические пластины 6, образующие дорожки качения для ходовых колес 7 ходовой тележки. Опорные колеса 8 этой тележки контактируют с боковыми стенками 4 и позиционируют ходовую тележку относительно боковых стенок пути и дорожек качения. Также внутри балки установлена система токоподвода 9 для питания электродвигателя/лей ходовых тележек и систем жизнеобеспечения пассажирского вагона.
Система токоподвода 9 (фиг. 2) включает в себя устройство 10 токопитающей шины для ходовой тележки вагона надземной монорельсовой транспортной системы и токосъемники 11. Устройство 10 токопитающей шины может быть одно и размещено только на одной боковой стенке 4 путевой балки 1, но также возможен вариант исполнения, согласно которому на каждой боковой стенке 4 может быть установлено устройство 10 токопитающей шины. Для второго варианта токосъемники 11 смонтированы на ходовой тележке с двух ее сторон, как это показано на фиг. 1. В этом случае питание к ходовым тележкам осуществляется по двум каналам: с каждой боковой стенки 4. Второй вариант считается предпочтительней, так как с уменьшением токовой нагрузки существенно снижается электрический износ шины, как проводника.
Токосъемники 11 представляют собой каждый токопроводящий башмак 12 (например, из бронзы), закрепленный на конце подпружиненной штанги 13 (фиг. 2), другой конец 14 которой изолированно закрепляется на раме ходовой тележки над ходовыми колесами 7, но ниже верхне расположенных опорных колес 8 (фиг. 1). Таким образом, токопроводящий башмак 12 всегда поджат к шине и, кроме того, имеет возможность ограниченно упруго смещаться в поперечном направлении относительно продольной оси штанги 13. Башмак 12 устанавливается съемно на штанге, что позволяет своевременно и быстро его заменять на новый.
В устройстве 10 токопитающей шины для ходовой тележки вагона надземной монорельсовой транспортной системы токопроводящая полоса выполнена в виде трех параллельно расположенных относительно друг друга токопроводящих вставок 15 в виде длинномерных профилей (фиг. 2).
Корпус устройства 10 токопитающей шины выполнен в виде открытого короба с горизонтальными перегородками 16, образующими посадочные места для установки между ними указанных токопроводящих вставок 15.
Каждая токопроводящая вставка 15 выполнена с вогнутой рабочей поверхностью и с тыльной стороны выполнена с элементами ее фиксации в полости между полками.
Таким образом, устройство 10 токопитающей шины выполнено сборно-разборным, что повышает ее технологичность и возможность быстрого ремонта изношенных или поврежденных участков. Токопроводящая вставка представляет собой элемент, который утапливают в гнездо между горизонтальными полками до защелкивания ее в фиксаторе. Так, со стороны задней стенки корпуса на полках выполнены выступы 17, а на боковых стенках токопроводящей вставки 15 выполнены углубления 18 для размещения выступов при посадке этой вставки в корпус. Токопроводящая вставка 15 может быть выполнена полностью металлической или комбинированной из двух металлов: тело вставки из одного металла, а часть тела, имеющая вогнутую рабочую поверхностью - из другого металла. На фиг. 2 представлен вариант исполнения вставки 15, согласно которому каждая токопроводящая вставка 15 выполнена в виде базового элемента 18, на который одет тонколистовой металлический кожух с вогнутой рабочей поверхностью. Базовый элемент может быть выполнен из керамики или термостойкого полимера или иного непроводящего ток материала, а металлический кожух, упруго охватывающий базовый элемент, позволяет снизить трение между материалом корпуса и вставкой, облегчить ее установку в гнездо и обеспечить при этом токоподвод от корпуса к вогнутой рабочей поверхности. Возможен также вариант исполнения, когда часть тела базового элемента, являющаяся вогнутой рабочей поверхностью, выполняется из токопроводящего материала повышенной износостойкости и низкой теплопередачи. Например, на фиг. 2 показан вариант исполнения, когда вогнутая рабочая поверхность сформирована в виде отдельной тонколистовой металлической пластинки, закрепляемой на торце базового элемента.
Конструкция самого корпуса устройства 10 токопитающей шины в виде конкретной разборно-сборной реализации не рассматривается в рамках данной заявки, так как таких схемных решений может быть много. Главное, что корпус выполнен токопроводящим и имеет разделенные горизонтально расположенными полками или горизонтальными перегородками отделения для укладки ленточной конструкции токопроводящих вставок, комбинация которых образует токопитающую шину.
Выполнение токопитающей шины в виде трех полос вставок 15 позволяет электрически разгрузить шину, снизить ее нагрев и искрообразование. При этом повышается гарантировано увеличенный срок эксплуатационного использования, так как повреждение части поверхности одной из вставок компенсируется токосъемом с других вставок (режим резервирования или дублирования функции). То есть независимо от технического состояния токопроводящих вставок всегда поддерживается подача питания на электродвигатели ходовых тележек и к системам жизнеобеспечения вагона. Таким образом, достигается постоянство подачи питания и его получения ходовыми тележками.
Выбор количества токопроводящих вставок (а именно, трех) обусловлен следующим.
Недостатки однополосной токопитающей шины описаны при анализе прототипа. При использовании двух токопроводящих вставок вероятность совпадения, что на каких-то смежно расположенных участках этих двух вставок произойдет повреждение, которое приведет к разрыву токопроводящей линии в каждой вставке и эти разрывы будут напротив друг друга равна более 50%. Это объясняется тем, что при разрушении участка одной вставки вся токовая нагрузка ложится на смежно расположенную вставку. При этом переход нагрузок имеет скачкообразный характер, сопровождающийся искрообразованием и местным перегревом токопроводящего участка. То есть в этом случае устройство превращается в однополостную линию на отдельном по длине участке токосъема. Если же количество вставок равно трем, то вероятность совпадения, что на каких-то смежно расположенных участках всех трех вставок произойдет повреждение, которое приведет к разрыву токопроводящей линии в каждой вставке и эти разрывы будут напротив друг друга, равна менее 10%. Это объясняется тем, что при выходе одной вставки из строя на отдельном участке подача питания распределяется на остальные две вставки и не имеет сильно выраженного всплеска на этих двух работоспособных вставках. Так же не сильно выражен нагрев, который быстро отводится воздушным потоком в балочном пути. Превышение количества токопроводящих вставок более трех приводит к сохранению достигаемого при трех вставках результата, но при этом возрастает расход материала, вес шины и возникают проблемы с монтажом такой широкой шины в пространстве ходовыми колесами и верхними опорными колесами. Поэтому увеличение количества токопроводящих вставок выше трех конструктивно и экономически нецелесообразно.
Для контроля целостности вставок 15 на отдельных участках в токопитающей шине могут размещаться датчики температуры (контролируют всплески температуры, свидетельствующие о перегреве или кратковременном чрезмерном нагреве отдельного участка вставки) и регистраторы величины тока, проходящего через данный участок вставки. Для всей шины при ее полностью исправном состоянии характерны усредненные показатели тока и температуры в функции от климатических показателей внешней среды. Появление всплесков показаний от датчиков на отдельных участках вставок указывает на имеющуюся проблему в целостности этого участка. Система токоподвода и съема питания сохраняет свою работоспособность, а показания контрольных приборов - это указание на вмешательство для своевременного устранения причин всплесков.
Ходовая тележка в полости коробки путевой балки вовремя движения совершает качания, обусловленные инерционностью массы самой тележки и динамическим воздействием на нее со стороны подвешенного к ней вагона. Это приводит к тому, что токосъемники 11 не только перемещаются линейно вдоль вставок с упругим опиранием на вогнутую рабочую поверхностью, но и совершают колебательные перемещения башмака по этой вогнутой поверхности. В связи с этим важным становится то, чтобы башмаки токосъемников 11 гарантированно находились в области вогнутости вставок 15. С этой целью на торцах полок закреплены треугольной формы в поперечном сечении направляющие 21, вершиной обращенные на противоположно расположенную боковую стенку путевой балки монорельсовой дороги навесного типа (фиг. 2 и 3). Эти направляющие служат для направления упруго подвешенного башмака в зону токопроводящей части вставки 15. Эти направляющие 21 могут быть выполнены из низкоизностного и термостойкого полимерного материала или керамического материала. Так как при прохождении башмака по вставке происходит нагревание последней, тепло от которого необходимо отводить, то эти направляющие 21 могут быть выполнены из материала, обладающего высокой теплопроводностью, что позволяет эти направляющие использовать в качестве радиаторов теплоотвода. Путевая балка выполнена с пазом в нижней стенке и имеет сообщение с внешней средой, то при движении ходовой тележки в коробке пути формируется воздушный поток, который обдувает направляющие и вставки 15 и тем самым снижает их тепловую нагруженность.
Настоящая полезная модель промышленно применима и может быть использована в качестве устройства токоподвода к ходовым тележкам монорельсовых транспортных систем. Полезная модель позволяет повысить срок службы токопитающей шины за счет сохранения ее токоподводящей функции в случае частичного разрушения этой шины.