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.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату (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. Кроме того, следует заметить, что подобные конструкции не обеспечивают возможности достижения максимального износа вставок.
Техническим результатом настоящей полезной модели является конструкция контактной вставки токосъемников троллейбусов обеспечивающая снижение электрического сопротивления при сохранении износостойкости и высоких смазочных свойств вставки, а также долговечности контактных проводов троллейбусных линий.
Указанный технический результат достигается за счет изготовления вставки 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.
На фиг.1 изображена предлагаемая вставка, общий вид; на фиг.2 вставка в продольном разрезе; на фиг.3 - вставка, вид сверху; на фиг.4 вставка вид снизу; на фиг.5 - вставка с контактным проводом, разрез по А-А на фиг.3.
Предлагаемая вставка состоит из пластины 1 (фиг.1, 2) имеющей заходную часть 2 с симметричными профилированными раструбами 3 на торцах и рабочей частью в виде желоба 4, при этом токопроводящий элемент 5 (фиг.3) расположен симметрично на рабочей части, и составляет 3-5% от ее объема и выполненный из композиционного материала с электрическим сопротивлением меньшим, чем у углеграфита, для снижения электрического сопротивления вставки при сохранении износостойкости и высоких смазочных свойств. Кроме того, предлагаемая конструкция не нарушает целостности и качества контактной сети.
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)°C; время прессования 1,5-3 мин; температура и время термической стабилизации вставки соответственно (180±5)°C, (30-40) мин.
Затем, в подготовленной вставке (заготовке) выполняют четыре отверстия 6, которые соединяют пазами 7 (фиг.3) со стороны рабочей части 4 и с обратной поверхности пластины 1 (фиг.4) под токопроводящий элемент 5 из материала с электрическим сопротивлением меньшим, чем у углеграфита, состоящей например, из трех отдельных элементов, один из которых медный остальные углеродные волокна и соединенных между собой, например в виде жгута, каната и т.д. В пластине 1 механической обработкой изготавливают профилированный канал (фиг.3 и фиг.4), полученный с помощью четырех отверстий 6 и пазов 7, который заполняют токопроводящим элементом 5 выполненным из композиционного материала, в виде жгута, каната и т.д., концы которого, фиксируют с обратной поверхности пластины 1 (фиг.4), например в виде стежка. Объемная доля этого токопроводящего элемента 5, выполненного из композиционного материала составляет 3-5% от объема контактной вставки.
Работает вставка контактная следующим образом. После установки ее в токоприемник троллейбуса и поджатия усилием 11,8-14,2 кг обеспечивается плотный контакт ее с контактным проводом 8 (фиг.5), 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 низких скоростях движения эффективно работает сама пластина 1 вставки состоящая из углеграфита композиционного состава, при повышении скорости и увеличении при этом температуры в зоне контакта провода 8 со вставкой включается в работу медная часть токопроводящего элемента 5, и наконец, при более высоких скоростях движения в процесс включаются углеродные волокна, прочность которых ниже прочности меди, а температура плавления 3700°C.
Как показали экспериментальные исследования, предлагаемые 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 8 остаются чистыми, гладкими, не имеют следов взаимного переноса материала и электрокоррозии поскольку доля медной части токопроводящего элемента 5 составляет менее трети от поверхности трения и схватывания с контактным проводом нет
Из анализа работы троллейбусных вставок, изготовленных из КМ, оптимальным считается доля металлической составляющей 30-35%, поэтому в данном случае считаем, что в зоне токосъема объем токопроводящего элемента 5 под контактным проводом должен составлять 30% от объема вставки троллейбуса, т.к. боковые объемы вставки (слева и справа) служат лишь для удержания вставки в щеках штанги токоприемника троллейбуса при эксплуатации (фиг.5). Следовательно, композиционный токопроводящий элемент реально составляет 3-5% от всего объема вставки, но, с учетом вышеизложенного, в зоне износа - 30-35%.
Например, при содержании токопроводящего элемента менее 3,0% этот объем составляет 24,4%, что является недостаточным для экономии электрической энергии, так как такая вставка будет мало отличаться от стандартной углеграфитовой вставки по своим электротехническим характеристикам.
Если содержание добавки токопроводящего элемента составляет более 5,0%, то доля металлической составляющей будет 40,6% - такая вставка больше изнашивает контактную сеть и ее эксплуатационные технические характеристики не соответствуют нормам эксплуатации.
Поэтому содержание токопроводящего элемента в интервале от 3,0% до 5,0% является оптимальным по количеству добавки металлической составляющей. При таком содержании токопроводящего элемента достигается необходимое значение электрического сопротивления, увеличивает срок службы вставки и контактной сети.
Примеры конкретного изготовления.
ПРИМЕР 1.
В пластине 1 механической обработкой изготавливаем профилированный канал (фиг.3 и фиг.4), полученный с помощью четырех отверстий 6 (диаметром 4 мм); а затем фрезой соединяем первое и второе отверстия глубиной 4 мм соответствующим пазом 7, который заполняют токопроводящим элементом 5 выполненным из композиционного материала, в виде жгута, каната и т.д., концы которого, фиксируют с обратной поверхности пластины 1 (фиг.4), например в виде стежка, для этого, выполняем короткие пазы от первого и четвертого отверстий.
В качестве технологических характеристик вставки исследовались: электрическое сопротивление, срок службы и пробег при эксплуатации.
Объемная доля токопроводящего элемента, содержащегося во вставке, составляет 2,0%, остальное - углеграфит. При таком содержании токопроводящего материала измеряется электрическое сопротивление, которое равно 27 Ом·м, срок службы такой вставки будет составлять 9-10 часов при пробеге 170-175 км.
ПРИМЕР 2.
Вставка с содержанием токопроводящего элемента 3,0%, углеграфит - остальное.
Конструкция вставки и ее изготовление аналогична примеру 1.
Электросопротивление такой вставки будет 22 Ом·м, срок службы вставки 10-11,5 ч, а пробег 175-180 км.
ПРИМЕР 3.
Вставка с содержанием токопроводящего элемента 4,0%, углеграфит - остальное.
Конструкция вставки и ее изготовление аналогична примеру 1.
Электросопротивление - 15 Ом·м, срок службы 11-12 ч, пробег 190-190 км.
ПРИМЕР 4.
Вставка с содержанием токопроводящего элемента 5,0%, углеграфит - остальное.
Конструкция вставки и ее изготовление аналогична примеру 1.
Электросопротивление - 12 Ом·м, срок службы 12-13 ч, пробег 190-195 км.
ПРИМЕР 5.
Вставка с содержанием токопроводящего элемента 6,0%, углеграфит - остальное.
Конструкция вставки и ее изготовление аналогична примеру 1.
Электросопротивление - 11 Ом·м, срок службы 13-14 ч, пробег 195-205 км.
Примеры заявленных компонентов вставки и прототипа приведены в таблице 1.
Таблица 1
Влияние количества токопроводящего материала во вставки на его технологические свойства
Материал
№ п/п
Объемная доля токопроводящего материала в вставке, %
Объемная доля углеграфита, %
Пробег, км
Срок службы вставки, ч
Электрическое сопротивление, Ом·м
Особенности эксплуатации
1
2,0
170-175
9-10
27
Электросопротивление не оптимально для данной вставки,
2
3,0
175-180
10-11,5
22
Электросопротивление вставки близко к оптимальной величине
3
4,0
180-190
11-12
15
Минимальное электросопротивление с максимальным сроком службы контактной вставки и сохранением контактного провода
4
5,0
190-195
12-13
12
Минимальное электросопротивление с максимальным сроком службы контактной вставки и незначительным износом контактной сети
5
6,0
195-205
13-14
11
Наблюдается износ контактного провода
Прототип (Патент РФ №2130390)
-
100
180-190
11-12
38-40
Значительное электросопротивление вставки
Примечание: средняя скорость троллейбуса 15-17 км/ч.
Из таблицы 1 можно сделать вывод, что контролируемый материал является более ресурсосберегающим, т.к. позволяет экономить потребление электрической энергии за счет меньшего электрического сопротивления материала, при этом требуется учитывать объемную долю токопроводящего материала.
Кроме того, сохраняются износостойкость и высокие смазочные свойства вставки, а также целостность контактных проводов троллейбусных линий.