ТРОЛЛЕЙБУС С ЧАСТИЧНОЙ НЕЗАВИСИМОСТЬЮ ОТ КОНТАКТНОЙ СЕТИ
TROLLEYBUS WITH PARTIAL INDEPENDENCE OF TROLLEY LINE

Изобретение относится к городскому транспорту, а именно - к троллейбусам.
Известен городской троллейбус, например, ЗИУ-9Б, содержащий тяговый электродвигатель, агрегаты управления им и токоприемное устройство /ТПУ/. Электропитание подводится к ТПУ от двух проводов контактной сети постоянного тока, а токосъем производится контактными головками ТПУ штангового типа, например, РТ-6И. Во время движения троллейбуса и при его маневрировании щеки контактных головок, взаимодействуя с проводами сети, осуществляют ориентацию ТПУ относительно проводов и троллейбуса, вследствие поворота каждой штанги по вертикальной и горизонтальной оси, при этом прижатие штанг к проводам сети обеспечивается пружинами. Электропитание от ТПУ поступает к тяговому электродвигателю /ТЭД/, причем частота вращения ротора двигателя и, соответственно, скорость движения машины, изменяется электромеханической или электронной системой управления. Однако, существующие ТТУ штангового типа в комплексе с контактной сетью не обеспечивают надежного токосъема из-за частого схода контактных головок с проводов сети при движении троллейбуса, особенно при проходе спецчастей, которые устанавливаются в местах разветвлений контактных линий, при их пересечениях и на участках изменения направления движения. Кроме того, маневрирование троллейбуса сковано зоной контакта ТПУ с проводами сети. Все это ограничивает использование троллейбуса в составе городского транспорта, несмотря на явные преимущества электропривода перед приводом от д.в.с. Известен также гиробус фирмы “Эрликон”. Гиробус содержит мотор-генератор, соединенный общим валом с аккумулятором кинематической энергии - маховиком, ТЭД и штанги управляемого ТПУ. ТЭД получает электропитание от мотор-генератора, который во время движения машины работает как генератор и приводится во вращение маховиком. На остановках при посадке-высадке пассажиров, с гиробуса поднимаются токосъемные штанги и совмещаются с контактными элементами, расположенными на специальных опорах, после чего мотор-генератор, работая в режиме двигателя, разгоняет маховик. Однако, в городском цикле движения разгон-торможение силовая установка, выполненная по этой схеме, малоэффективна из-за больших потерь запасенной в маховике кинематической энергии. Создает определенные неудобства и обязательный подход к местам остановок для разгона маховика. Известен, кроме того, троллейбус с управляемым ТПУ, которое работает совместно с контактной сетью с увеличенным расстоянием между проводами и не имеющей спецчастей в своем составе /патент RU №2346830/ В этом троллейбусе ТПУ содержит 3 контактных элемента, помещенных на токоизолированном каркасе по габаритной ширине троллейбуса. Средний контактный элемент соединен с потребителями через полупроводниковые вентили, а подъем ТПУ, прижатие его к проводам сети и двухпозиционный спуск осуществляется пневмоприводом. Силовая установка троллейбуса и система управления ею традиционной конструкции. ТПУ этого троллейбуса совместно с контактной сетью обеспечивает достаточно надежный токосъем, а благодаря управлению ТПУ с места водителя, троллейбус имеет некоторую независимость от сети при движении по инерции. Однако, во время остановок и движения с малой скоростью маневрирование троллейбуса ограничено зоной контакта ТПУ с проводами сети, т.е. в пределом габаритной ширины машины. Кроме того, пневмопривод не обладает достаточной надежностью и повышает расход воздуха из пневмосистемы.
х
Задача изобретения - расширить зону маневрирования троллейбуса независимо от контактной сети, повысить надежность привода токоприемного устройства и эффективность всей силовой установки. Указанная задача решается тем, что тяговый электродвигатель выполнен по схеме с внешним ротором, при этом ротор одновременно является маховиком, кинематическая связь ротора-маховика с ведущим мостом троллейбуса осуществляется через двухступенчатый редуктор и муфту, причем в редукторе передаточное отношение изменяется в зависимости от режима работы трансмиссии, а с помощью специальной муфты управляют скоростью движения троллейбуса и процессом рекуперативного торможения. На троллейбусе устанавливается указанное выше, по патенту RU №2346830, токоприемное устройство, которое вместо пневмопривода снабжено электроприводом, а также ручным приводом из кабины водителя. В качестве специальной муфты используется шариковая гидроупорная муфта /патент RU №2374525/ Эта муфта состоит из 2 основных узлов - наклонного диска и ступицы с гидроупорами и шариками, узлы муфты допускают длительное скольжение относительно друг друга, причем каждый узел в равной степени может быть как ведущим, так и ведомым. Степень проскальзывания от нулевой до полной регулируется золотником, осуществляющим дозированный перепуск рабочей жидкости в гидроцилиндрах муфты. Основной принцип работы шариковый гидроупорной /бесфрикционной/ муфты заключается в частичной или полной трансформации вращательного движения в поступательное, благодаря чему и происходит относительное скольжение узлов муфты /в фрикционных муфтах скольжение между узлами регулируется изменением сил трения/
На фиг.1 изображена принципиальная схема силовой установки троллейбуса и блок-схема управления ею, на фиг.2 - общий вид токоприемного устройства с электроприводом, а также размещение электроприборов и деталей на токоизолированном каркасе, на фиг.3 - блок-схема управления токоприемным устройством. На блок-схемах пунктирной линией обозначена механическая связь между приборами управления, а сплошной - электрическая связь.
х
Тяговый электродвигатель /ТЭД/ содержит внешний ротор-маховик 1, внутренний неподвижный статор 3 и корпус 2. ТЭД устанавливается в троллейбусе вертикально, например, в его задней части. Ротор-маховик через шестерни 4 конической передачи кинематически связан с 2 ступенчатым редуктором, который состоит из шестерни 5 и зубчатого колеса 7, жестко закрепленных на валу, а также блок шестерен 6. Для вхождения в зацепление с шестерней 5 или зубч. колесом 7, блок шестерен имеет возможность осевого перемещения по шлицам вала с помощью электропривода, содержащего втягивающую катушку и возвратную пружину /конструкция электропривода аналогична конструкции электропривода перемещения шестерни стартера д.в.с./ Шлицевой вал блока шестерни соединен с ведущим узлом бесфрикцион. муфты 8, а вал 9 ведомого узла муфты с ведущим мостом троллейбуса. Система управления силовой установкой включает в себя тормозную педаль 10, педаль хода 11, ручной включатель 12, блок управления 13 бесфрикцион. муфтой, датчик 14 частоты вращения ТЭД, электропривод 15 перемещения блока шестерен, пусковое устройство 16 и тормозной кран 17 пневматической тормозной системы. Блок управления бесфрикцион. муфтой состоит из центробежного регулятора непрямого действия и непосредственно узла /золотник с электромагнит. приводом/ управления ею. Педаль хода для изменения затяга пружины регулятора связана с ней /пружиной/ механическим приводом. Тормозная педаль имеет электрическую связь с электромагнит. приводом золотника муфты. Кроме того, педаль снабжена контактами датчика, имеющего электрическую связь с приводом блока шестерен редуктора, а также механическую связь с тормозным краном. Для обеспечения электропитанием низкого напряжения /24в/ вспомогательного оборудования и систем управления установлен генератор собственных нужд, который имеет постоянный привод от ротора-маховика. Генератор работает совместно с аккумуляторной батареей и регулятором напряжения. В качестве токоприемного устройства ТПУ /использован указанный выше по патенту RU №2346830 токоприемник и контактная сеть с расстоянием между проводами 950-1000 мм. Электрически изолированные планки каркаса 18 /фиг.2/ с тремя токосъемными элементами, установленными на каркасе по габаритной ширине троллейбуса, шарнирно соединены с трубчатой рамой 19. Рама также шарнирно соединена с кронштейнами 23. К проушинам рамы и основанию крепятся пружины 22. Основание установлено на крыше троллейбуса на изоляторах. К раме приварены две поперечины, одна из которых является упором 20, а к другой крепится трос 21 привода. Трос проходит через ролики 24 и отверстие в крыше машины в кабину водителя и далее закрепляется на барабане электропривода 28 ТПУ. Привод включает в себя электродвигатель и редуктор с самотормозящей червячной передачей. Редуктор снабжен рукояткой 27 для ручного вращения барабана. В нерабочем положении рукоятка разъединена с валом редуктора. На стенке кабины установлены конечный выключатель 25 и датчик 29 натяжения троса, причем ролики штоков конечного выключателя и датчика прижаты к поверхности троса своими внутренними пружинами. На крыше троллейбуса имеется защелка 34, фиксирующая раму ТПУ в нижнем положении на время длительной стоянки машины. С крайними контактными элементами 35 на каркасе соединены силовые кабели 31. Каждый кабель проходит в вилку шарнира и далее во внутрь изолированной трубы рамы ТПУ с выходом из нее в районе кронштейнов 23. Поскольку средний контактный элемент подключается к силовым кабелям через полупроводниковые вентили, они помещены в отдельной коробке 32 и электрически соединены с силовыми кабелями медными шинами. Коробка и все электрические соединения смонтированы на внутренней поверхности токоизолированных планок. На внешней стороне планки с средним контактным элементом в конце изолированных участков имеются контактные пластины 30. Эти пластины электрически связаны с передатчиками сигналов инфракрасного диапазона /ИК-сигналов/, которые также установлены на внутренней поверхности планки каркаса. Приемник 38 ИК-сигналов помещен на крыше троллейбуса под каркасом с токосъемными элементами. Система управления ТПУ /фиг.3/ состоит из реле 37 выключения главного контактора, реле 35 с двумя парами контактов /одна пара замкнута, другая разомкнута/, имеющих механическую связь с контактами главного контактора, трехпозиционного переключателя 39, контакторы 40, 42 включения электродвигателя 41 привода ТПУ на подъем или спуск соответственно, а также упоминавшиеся выше конечный выключатель 25, датчик 29 натяжения троса и приемник 38 ИК-сигналов.
х
ая
х
х
ая
ая
ую
ого
х
ую
ую
х
ого
Работа силовой установки, устройств и систем троллейбуса происходит следующим образом. До выхода машины на маршрутную линию ТПУ опущено и зафиксировано защелкой на крыше. Ротор-маховик неподвижен. Электропитание цепей управления производится от аккумуляторов. Контакты реле 37 замкнуты, а главного контактора разомкнуты, одна пара контактов реле 35 замкнута, другая разомкнута. Для принятия ТПУ рабочего положения с помощью тяги или троса, находящейся с внешней стороны в задней части троллейбуса, освобождают от фиксации поперечину-упор 20 рамы ТПУ, затем в кабине водителя перемещают ручку 3-позиционного переключателя в положение, соответствующее подъему ТПУ. В результате замыкаются контакты контактора 40 и электродвигатель 41 привода вращает барабан в сторону разматывания троса, причем контакты контактора остаются замкнутыми и после возвращения ручки переключателя в исходное /среднее/ положение. Рама ТПУ поднимается усилием пружин со скоростью движения троса, поэтому трос остается в натянутом состоянии. Подъем ТПУ продолжается до прижатия каркаса с токосъемными элементами к проводам сети. Ток из контактной сети через замкнутые контакты реле 37 поступает на обмотку катушки главного контактора и его контакты замыкаются, а 1 пара контактов реле 35 размыкается, при этом прекращается электропитание катушки контактора 40 и электродвигатель привода останавливается, прекращая разматывание троса с барабана. Кроме того, с другой, замкнутой пары контактов реле 35 электрический ток поступает к контактам датчика 29 натяжения троса, а от замкнутых контактов глав. контактора ток высокого напряжения поступает к потребителям. Датчик частоты вращения ТЭД через пусковое устройство подает электрич. ток для разгона ротора-маховика до номинальной частоты вращения, после чего электропитание прекращается. Перед началом движения в управляемом 2 ступенчатом редукторе включена ступень для разгона и движения - блок шестерен 6 усилием пружины привода смещен в положение, в котором зубчатое колесо 7 находится в зацеплении с малой шестерней блока. Движение троллейбуса после разгона ротора-маховика начинается с нажатия на педаль хода, которая через привод изменяет затяг пружины центробежного регулятора частоты вращения ведомого вала бесфрикц. муфты и включает ее в работу, после чего муфта плавно соединяет вал редуктора с ведущим мостом троллейбуса. Крутящий момент от ротора-маховика через шестерни конической передачи передается валу редуктора и далее через зубчатое колесо и малую шестерню блока шестерен к ведущему узлу муфты, ведущему мосту и колесам. Интенсивность разгона и скорость движения троллейбуса регулируется бесфрикц. муфтой, в зависимости от положения педали хода. Педаль хода, изменяя затяг пружины центробежного регулятора, задает необходимую частоту вращения ведомого вала муфты и соответствующую этой частоте скорость движения машины. Эта частота вращения поддерживается на заданном уровне независимо от частоты вращения ротора-маховика. При снижении частоты вращения ротора до установленного минимума, датчик 14 включает подачу электропитания на ТЭД, а после восстановления нужной частоты вращения отключает электропитание. Благодаря центробежному регулятору, увеличение частоты вращения ротора-маховика не сказывается на скорости движения троллейбуса. В результате, при неизменном положении педали хода, машина продолжает движение с той же скоростью, а при дальнейшем нажатии на педаль скорость движения увеличивается. Торможение с аккумулированием кинематической энергии троллейбуса /рекуперативное торможение/ производится с начала нажатия на тормозную педаль, причем вначале замыкаются контакты датчика положения тормозной педали, с которых подается электропитание на привод блока шестерен редуктора с одновременной блокировкой включения пускового устройства, исключая подачу электропитания на ТЭД. Электропривод перемещает блок шестерен по шлицам вала, при этом зубчатое колесо блока входит в зацепление с шестерней 5 ведущего вала редуктора. Общее передаточное отношение трансмиссии от колес к ротору-маховику при таком состоянии 2 ступенчатого редуктора увеличивает частоту вращения ротора-маховика до величины, обеспечивающей аккумулирование в маховике большей части кинематической энергии движущегося троллейбуса. Дальнейшее перемещение тормозной педали регулирует интенсивность процесса рекуперативного торможения, при этом изменяется степень перемещения перепускного золотника бесфрикц. муфты, а в конечном итоге, степень возрастания частоты вращения ротора-маховика. Окончание перехода кинематической энергии от троллейбуса к маховику характеризуется прекращением замедления машины и для полной остановки тормозную педаль перемещают далее, тем самым открывая тормозной кран пневматической системы торможения, причем бесфрикц. муфта выключается и ротор-маховик разъединяется с трансмиссией. Движение троллейбуса с использованием накопленной в маховике энергии начинается после нажатия на педаль хода /этот процесс описан выше/ Количество аккумулированной в роторе-маховике энергии, с учетом имеющейся в нем до рекуперативного торможения, достаточно для того, чтобы троллейбус в нормальных /без заторов движения/ условиях прошел путь от одной пассажирской остановки до другой без включения в работу ТЭД. Таким образом, рекуперативное торможение в заявленном троллейбусе позволяет непосредственно использовать аккумулированную энергию, а не возвращать ее в контактную сеть, где эта энергия рассеивается в обширном пространстве сети, делая процесс рекуперации не эффективным. Рекуперативное торможение становится малоэффективным и при движении с малой скоростью с частыми остановками, что характерно для заторов движения /пробок/ В такой ситуации рекуперативное торможение не производится, а при необходимости увеличения частоты вращения ротора-маховика и, соответственно, запаса кинематической энергии в нем, перед проходом участков без контакта с проводами сети частоту вращения ротора-маховика доводят до номинальной, подавая электропитание на ТЭД ручным включателем 12. В конечном итоге, в маховике всегда можно иметь запас кинематической энергии для движения троллейбуса без контакта с проводами сети. Управляемое ТПУ троллейбуса совместно с контактной сетью обеспечивает зону контакта ТПУ с проводами шириной 1.5 м, т.е. глубина маневра машины находится в этом пределе. При приближении любого провода контактной сети к краю поверхности контактного элемента, провод соприкасается с одной из контактных планок 30. В результате соответствующий передатчик ИК-сигналов выдает этот сигнал, который воспринимается приемником ИК-сигналов 38, а от него сигнал, преобразованный в электрический ток, поступает к реле 37. Реле размыкает свои контакты, обесточивая катушку глав. контактора, его контакты размыкаются, отключая потребители, соответственно, замыкается 1 пара контактов реле 35, а 2 пара контактов этого же реле размыкается, прекращая подвод электропитания к датчику натяжения троса. Через замкнутые контакты реле ток поступает к катушке контактора 42 и он включает электродвигатель привода ТПУ для вращения барабана в сторону наматывания на него троса и опускания ТПУ на 1 позицию - до взаимодействия 1 зажим-упора на тросе с роликом конечного выключателя 25, шток которого, перемещаясь, отключает питание электродвигателя привода. Положение зажим-упора на тросе обеспечивает отключение двигателя при опускании каркаса с токосъемными элементами на расстояние 250-300 мм. от проводов контактной сети, что дает возможность движение и маневрирование троллейбуса без контакта ТПУ с проводами сети. При движении троллейбуса по маршруту изменяется высота подвеса проводов контактной линии. Это отражается на степени натяжения троса привода ТПУ и может нарушить токосъем. Незначительное изменение высоты подвеса, связанное с неровностями покрытия или другими дефектами, устраняются датчиком натяжения, который при изменении натяжения и перемещении своего штока с замыканием соответствующих контактов, через контакторы 40 и 42 включает электродвигатель привода для разматывания или наматывания троса на барабан. Электропитание на двигатель привода при этом поступает через реостат, который понижает напряжение и вынуждает работать электродвигатель с меньшей частотой вращения. Электропитание на контакты датчика натяжения подается только при отключении привода ТПУ /ручка 3 позицион. переключателя в “0” положении/ При значительном изменении высоты подвеса проводов сети, например, при проходе их под искусственными сооружениями, опускания ТПУ на 1 позицию недостаточно и тогда его опускают на 2 позицию, повторно устанавливая ручку 3 позицион. переключателя в положение на спуск ТПУ. Электродвигатель привода включается, а его отключение происходит после взаимодействия 2 зажим-упора на тросе с роликом штока конечного выключателя, причем до того как поперечина-упор рамы вступит в контакт с защелкой. Фиксация рамы защелкой на время продолжительной стоянки троллейбуса осуществляется с помощью ручного привода. Движение и маневрирование троллейбуса производится как с использованием инерции машины, так и за счет аккумулированной в роторе-маховике кинематической энергии /из неподвижного состояния/ Это позволяет троллейбусу совершать маневрирование в широком диапазоне, а также проходить пересечения контактных линий, повороты и другие участки маршрута на значительно большей скорости движения, чем троллейбус традиционной конструкции. Аккумулирующая способность ротора-маховика зависит от его массы, диаметра и частоты вращения. Например, ротор-маховик массой 800-1000 кг, диаметром 1 м. при подаче электропитания на ТЭД и разгона его до частоты вращения 1500 об/мин. аккумулирует количество кинематической энергии, достаточной для разгона троллейбуса из состояния покоя до максимальной скорости движения. Во время рекуперативного торможения со снижением скорости движения с 60 до 15 км/ч. частота вращения ротора-маховика повышается до 2000 об/мин. Из вышеизложенного видно, что движение заявленного троллейбуса производится главным образом за счет аккумулированной в маховике кинетич. энергии, причем аккумулирование осуществляется и при рекуперативном торможении и при работе тягового электродвигателя; управление процессами рекуперативного торможения и скорости движения происходит при помощи агрегата трансмиссии, а не электромеханической или электронной системы управления. Отличительной особенностью маховика является его способность отдавать накопленную энергию за любой промежуток времени, поэтому на выходе /колесах/ можно получить и любой крутящий момент. В результате, отпадает необходимость в большом /11-12/ передаточном отношении трансмиссии при передаче вращательного движения от ТЭД к колесам и ведущий мост снабжается только одним центральным редуктором /колесные редукторы отсутствуют/, при этом динамические характеристики машины сохраняются.