КОМПЕНСАТОР КОНТАКТНОЙ СЕТИ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ
RAILWAY OVERHEAD SYSTEM COMPENSATOR

Изобретение относится к области электрификации железных дорог, в частности к компенсаторам контактной сети, и может быть использовано для поддержания натяжения контактного провода и несущего троса в заданных пределах при изменении температуры окружающего воздуха и нагреве контактного провода и несущего троса при проходе электровоза.
Поддержание постоянного натяжения контактного провода и несущего троса является одним из основных условий для обеспечения качественного токосъема и увеличения срока службы контактного провода - одного из самых дорогих элементов контактной подвески.
7
7
7
7
Компенсатор представляет собой устройство, содержащее нагружающее устройство, связанное посредством кинематической передачи с компенсируемым проводом контактной подвески. Наибольшее распространение получили грузовые компенсаторы, в которых в качестве нагружающего устройства используется гирлянда грузов, подвешенная на грузовом тросе, взаимодействующем через кинематическую передачу с компенсируемым тросом контактной подвески. В качестве кинематической передачи чаще всего используется блочно-полиспастная система (см., например, патенты на изобретение RU 2235027, МПК B60M 1/26, опубл. 27.08.2004 г.; RU 2423253, МПК B60M 1/26, опубл. 10.07.2011 г.; патенты на полезную модель RU 50480, МПК B60M 1/26, опубл. 20.01.2006 г.; RU 20287, МПК B60M 1/26, опубл. 27.10.2001 г.; RU 17025, МПК B60M 1/26, опубл. 10.03.2001 г.; RU 50931 и 50932, МПК B60M 1/26, опубл. 27.01.2006 г.; RU 128561, МПК B60M 1/26, опубл. 27.05.2013 г., и др.).
7
7
Широкое распространение на европейских железных дорогах получила кинематическая передача, выполненная в виде блоков, составленных из соединенных в единое целое барабанов разного диаметров (см., например, патент на изобретение RU 2193981, МПК B60M 1/26, опубл. 10.12.2002 г.; патенты на полезную модель RU 64992, МПК B60M 1/26, опубл. 27.07.2007 г.; RU 18682, МПК B60M 1/26, опубл. 10.07.2001 г.; RU 17896 и 17897, МПК B60M 1/26, опубл. 10.05.2001 г.).
Основным преимуществом грузовых компенсаторов является постоянство нагрузки при любых перемещениях компенсируемого провода, что обеспечивает поддержание постоянного натяжения проводов при любых условиях эксплуатации. В грузовых компенсаторах легко регулировать величину натяжения проводов - для этого достаточно изменить количество грузов в гирлянде. Однако недостатками компенсаторов грузового типа являются их большие габариты, высокая уязвимость от внешних воздействий, наличие перемещающихся больших масс, что может представлять опасность для окружающих.
В последнее время все большее распространение получают компенсаторы, в которых в качестве нагружающего устройства используются упругие элементы, взаимодействующие через кинематическую передачу с компенсируемым тросом контактной подвески. Упругие элементы, используемые в компенсаторах, можно условно разделить на две основные группы - элементы, работающие на сжатие, и элементы, работающие на кручение. В качестве элементов, работающих на сжатие, чаще всего используются цилиндрические пружины (см., например, патент CN 1236496, МПК B60M 1/26, H02G 7/02, 24.11.1999 г.), также могут быть использованы различные устройства с пневмогидроцилиндрами (см., например, патенты EP 1013499, МПК B60M 1/26, опубл. 2000.06.28; EP 1067011, МПК B60M 1/26, опубл. 2001.01.10,). В качестве элементов, работающих на кручение, используются спиральные ленточные пружины (см., например, патент на полезную модель RU 64992, МПК B60M 1/26, опубл. 27.07.2007 г.; патент RU 2428330, МПК B60M 1/26, опубл. 27.01.2010).
Основным недостатком нагружающего устройства с упругими элементами является зависимость величины усилия на выходном звене нагружающего устройства от его перемещения. Для устранения этого недостатка в компенсаторах используются кинематические передачи с переменным передаточным отношением, изменяющимся в соответствии с перемещением выходного звена таким образом, чтобы обеспечить постоянство усилия на компенсируемых проводах подвески. В компенсаторах с упругими элементами точность поддержания постоянного натяжения компенсируемых проводов определяется точностью расчета и изготовления кинематической передачи.
Достаточно полно компенсаторы с упругими пружинными элементами представлены в продукции фирмы PFISTERER (см. каталог фирмы - http://www.pfisterer.it; патент CN 1236496, МПК B60M 1/26, H02G 7/02, 24.11.1999 г.). В каталоге PFISTERER приведены компенсаторы с цилиндрическими пружинами с усилием на выходном звене 200 и 400 кН при его перемещении 450 мм, необходимом для компенсации изменения длины проводов при перепаде температуры 60°C (по данным каталога). Для обеспечения такого хода пружины установлены в специальной обойме последовательно в один блок, при этом общая длина компенсатора составляет более 3 м, а ширина - 310 мм. Для обеспечения усилия 40 кН блоки пружин устанавливаются параллельно, при этом вдвое увеличивается ширина и масса компенсатора. Преимуществом компенсаторов с цилиндрическими пружинами является то, что в них отсутствует трение между витками, они не нуждаются в смазке, вследствие чего их можно устанавливать (эксплуатировать) в атмосферных условиях в обойме без защитного кожуха, обеспечив защиту от коррозии. Следствием этого является сравнительная простота конструкции и удобство обслуживания - контроль над состоянием пружин компенсатора можно производить низовым визуальным осмотром. Однако существенным недостатком компенсаторов с цилиндрическими пружинами являются их значительные масса и габариты, диктующие необходимость установки таких компенсаторов в одну линию с компенсируемым проводом контактной подвески, что, учитывая значительную массу компенсатора, оказывает отрицательное влияние на работу подвески. Кроме того, как это было указано выше, даже при компенсации перепада температур в 60°C компенсатор имеет габариты более 3 м, для российских условий, где перепады достигают 90°C, требуется ход компенсатора не менее 1,2 метра. При таких требованиях габариты компенсатора значительно возрастут.
Кроме нагружающих устройств с цилиндрическими пружинами фирмой PFISTERER выпускаются компенсаторы со спиральными ленточными пружинами (см. патент RU 2448846, МПК B60M 1/26, опубл. 10.11.2010 г.; каталог фирмы - http://www.pfisterer.it). В качестве кинематической передачи с переменным передаточным отношением в описанных выше компенсаторах применяются шкивы или блоки с переменными радиусами.
Недостатками компенсаторов с ленточными пружинами являются сложность изготовления пружин, наличие значительного трения между витками пружин, что снижает точность поддержания натяжения компенсируемого троса при изменении направления перемещения выходного звена компенсатора. Последующее обстоятельство вызвало необходимость размещения спиральных пружин в закрытом корпусе, заполненном маслом, что вызвало необходимость уплотнения вала при его выходе из корпуса. Наличие корпуса с маслом и уплотнений вала усложняет конструкцию таких компенсаторов и снижает надежность их работы и подвески в целом. Кроме того, для обеспечения необходимого усилия на компенсируемом проводе требуется несколько установленных параллельно спиральных пружин, которые увеличивают количество составных частей компенсатора, что также снижает надежность его работы.
Общим недостатком всех перечисленных компенсаторов со спиральными и цилиндрическими пружинами является их сложность и высокая стоимость, а также необходимость периодического обслуживания, которое заключается во внешнем осмотре и контроле над состоянием цилиндрических пружин, а для компенсаторов со спиральными пружинами - поддержание необходимого уровня масла в корпусе и контроль за состоянием уплотняющих устройств вала.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту, т.е. прототипом, является компенсатор контактной сети железной дороги фирмы PFISTERER (каталог фирмы - http://www.pfisterer.it/), установленный на опоре контактной сети. Компенсатор содержит нагружающее устройство, выполненное в виде витых цилиндрических пружин, установленных в единую обойму и связанных через блок переменного радиуса с проводом контактной подвески.
Недостатками прототипа, как и описанных выше аналогов, являются его высокая масса и габариты. Кроме того, для обеспечения необходимого хода и нагрузочных характеристик компенсатора необходимо устанавливать в единую обойму целый ряд отдельных пружин, что увеличивает количество последовательно установленных элементов в компенсаторе, тем самым снижая надежность его работы.
Настоящее изобретение направлено на исключение вышеперечисленных недостатков, а именно на снижение массы и габаритов компенсатора, а также повышение надежности его работы и подвески в целом.
Поставленная задача достигается тем, что в компенсаторе контактной сети железной дороги, установленном на опоре контактной сети, содержащем нагружающее устройство с упругим элементом, связанное через кинематическую передачу с переменным передаточным отношением с проводом контактной подвески, согласно заявляемому изобретению упругий элемент нагружающего устройства выполнен в виде торсиона, взаимодействующего через кинематическую передачу с переменным передаточным отношением с компенсируемым проводом контактной подвески.
Другим отличием предлагаемого изобретения является то, что торсион установлен вертикально, при этом один его конец жестко соединен с опорой контактной сети, а второй конец имеет возможность вращения и соединен с кинематической передачей с переменным передаточным отношением. В этом случае кинематическая передача с переменным передаточным отношением может быть выполнена в виде блока переменного радиуса, жестко закрепленного на конце торсиона, имеющего возможность вращения, либо в виде шкива со спиральным ручьем переменного радиуса.
Следующим отличием заявляемого компенсатора является то, что торсион установлен горизонтально, при этом оба конца его жестко соединены с опорой контактной сети. В данном варианте исполнения компенсатора посредине торсиона может быть жестко закреплен либо блок переменного радиуса, взаимодействующий с компенсируемым проводом контактной подвески; либо шкив со спиральным ручьем переменного радиуса, взаимодействующим с компенсируемым проводом контактной подвески; либо два шкива со спиральными ручьями переменного радиуса, взаимодействующие с грузовым тросом, огибающим уравнивающий подвижный блок, связанный с компенсируемым проводом контактной подвески, причем концы грузового троса закреплены на каждом шкиве.
Другими отличиями изобретения являются то, что нагружающее устройство может быть выполнено в виде нескольких горизонтально расположенных торсионов, концы которых жестко соединены с опорой контактной сети, при этом посредине каждого торсиона жестко закреплен рычаг, шарнирно связанный с суммирующим элементом, который через кинематическую передачу с переменным передаточным отношением взаимодействует с компенсируемым проводом контактной подвески, при этом суммирующий элемент выполнен в виде планки, связанной рычагами, закрепленными на торсионах.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый компенсатор контактной сети железной дороги отличается взаимным расположением деталей, их связью и формой выполнения.
Проведенный патентный поиск показал, что в настоящее время не известен компенсатор контактной сети железной дороги, обладающий такой же совокупностью существенных признаков, что и предлагаемый. Таким образом, заявляемая конструкция соответствует критерию изобретения "новизна".
При изучении уровня техники, известного в данной области, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "изобретательский уровень".
Выполнение упругого элемента нагружающего устройства в виде торсиона, установленного на опоре контактной сети вертикально или горизонтально и взаимодействующего через кинематическую передачу с переменным передаточным отношением с компенсируемым проводом контактной подвески, позволит отказаться от громоздких и массивных частей, из которых состоит компенсатор. Устройство согласно заявляемому изобретению позволяет достигнуть поставленной задачи, так как оно допускает компенсацию для изменений длины натянутых проводов, поддерживая на проводах, по существу, постоянное натяжение, и с ограниченным занимаемым объемом, который делает его (компенсатор) чрезвычайно простым и легким для установки даже в ограниченных объемах.
Вышеизложенное доказывает, что совокупность отличительных от прототипа признаков позволит с успехом использовать заявляемое изобретение для поддержания натяжения контактного провода и несущего троса в заданных пределах при изменении температуры окружающего воздуха и нагреве контактного провода и несущего троса при проходе электровоза, т.е. соответствует критерию изобретения «промышленная применимость».
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на:
- фиг.1 изображен общий вид компенсатора с вертикально установленным торсионом и кинематической передачей, выполненной в виде блока с переменным радиусом;
- фиг.2 - общий вид кинематической передачи компенсатора с вертикально установленным торсионом и кинематической передачей, выполненной в виде шкива со спиральными ручьями переменного радиуса;
- фиг.3 - общий вид компенсатора с горизонтально установленным торсионом (вариант с кинематической передачей, выполненной в виде блока переменного радиуса);
- фиг.4 - то же (вариант с кинематической передачей, выполненной в виде шкива со спиральными ручьями переменного радиуса);
- фиг.5 - то же (вариант с кинематической передачей, выполненной в вид двух шкивов со спиральными ручьями переменного радиуса);
- фиг.6 - общий вид компенсатора с несколькими горизонтально установленными торсионами.
Конструктивное исполнение заявляемого изобретения рассмотрим на конкретных примерах, которые, однако, не ограничивают всех ее вариантов.
Пример 1.
Предлагаемый компенсатор контактной сети железных дорог содержит нагружающее устройство с упругим элементом, установленное на опоре 1 контактной сети и связанное через кинематическую передачу с переменным передаточным отношением с проводом 2 контактной подвески. Упругий элемент выполнен в виде торсиона (закручивающегося стержня) 3, который установлен на опоре 1 вертикально, при этом один конец торсиона 3 посредством кронштейна 4 жестко соединен с опорой 1 контактной сети, а второй конец торсиона 3 установлен с возможностью вращения в кронштейне 5 и соединен с кинематической передачей с переменным передаточным отношением. Кинематическая передача с переменным передаточным отношением может быть выполнена либо в виде блока 6 переменного радиуса, жестко закрепленного на конце торсиона 3, имеющего возможность вращения и связанного с проводом 2 контактной подвески (фиг.1), либо в виде шкива 7 со спиральным ручьем переменного радиуса (фиг.2).
Пример 2.
Упругий элемент заявляемого компенсатора выполнен в виде торсиона (закручивающегося стержня) 3, который установлен на опоре 1 горизонтально. Оба конца торсиона посредством кронштейнов 8, 9 жестко соединены с опорой 1 контактной сети. Кинематическая передача с переменным передаточным отношением может быть выполнена либо в виде блока 6 переменного радиуса, жестко закрепленного посредине торсиона 3 и связанного с компенсируемым проводом 2 контактной подвески (фиг.3), либо в виде одного шкива 7 со спиральными ручьями переменного радиуса, установленного посредине торсиона 3 и связанного с компенсируемым проводом 2 контактной подвески (фиг.4), либо в виде двух шкивов 7 со спиральными ручьями переменного радиуса, установленными посредине торсиона 3 и взаимодействующими с грузовым тросом 10, на каждом шкиве 7 закреплены концы грузового троса 10, огибающего уравнивающий подвижный блок 11, связанный с компенсируемым проводом 2 контактной подвески (фиг.5).
Пример 3.
Предлагаемый компенсатор контактной сети железных дорог содержит несколько горизонтально установленных торсионов 3, концы которых посредством кронштейна 12 жестко соединены с опорой 1 контактной сети. Посредине каждого торсиона 3 жестко закреплен рычаг 13, шарнирно связанный с суммирующим элементом 14, который через кинематическую передачу 15 с переменным передаточным отношением, установленную на опоре 1 при помощи кронштейна 16, взаимодействует с компенсируемым проводом 2 контактной подвески (фиг.6).
Работа описанных в примерах 1-3 компенсаторов осуществляется следующим образом.
При монтаже компенсатора на опоре 1 для обеспечения заданного натяжения компенсируемого провода 2 осуществляют предварительное закручивание торсиона 3 с соединенной с ним кинематической передачей на угол, определяемый расчетным путем в соответствии температурой окружающей среды. Предварительно закрученный торсион 3 через кинематическую передачу соединяют с проводом 2 контактной подвески. В процессе эксплуатации компенсируемый провод 2 при увеличении температуры удлиняется, торсион 3 раскручивается, и момент на торсионе уменьшается. Однако кинематическая передача с переменным передаточным отношением автоматически увеличивает передаточное отношение за счет увеличения радиуса блока 6 с переменным радиусом или радиуса ручья шкива 7. При уменьшении температуры компенсируемый провод 2 сжимается, торсион 3 закручивается, увеличивается момент на торсионе, и, соответственно, уменьшаются радиусы блока 6 или ручья шкива 7. Соотношение момента на торсионе 3 и радиусов блока 6 или ручья шкивов 7 подобрано таким образом, что усилие на компенсируемом проводе 2 поддерживается постоянным на всем диапазоне рабочих температур окружающей среды.
Использование предлагаемого изобретения позволит снизить массу и габариты компенсатора, а также повысить надежность его работы и подвески в целом, тем самым повысив срок службы контактного провода.