ТОКОСЪЕМНАЯ ШТАНГА ТРОЛЛЕЙБУСА
TROLLEYBUS COLLECTOR BAR

Область техники.
Изобретение относится к электрооборудованию транспортных средств с электротягой, в частности к конструктивным особенностям штанг, и может быть использовано в конструкции троллейбусов.
Уровень техники.
Известна токосъемная штанга троллейбуса по патенту РФ №2026796 С1, класс 6B60L 5/12, 1991 года, согласно которому корпус токосъемной штанги выполнен из концентричных слоев полимерных волокон, расположенных по винтовой линии, пространство между которыми заполнено полимерным связующим. Полимерные волокна выполнены с поперечным сечением в виде равностороннего треугольника, а площадь поперечного сечения уменьшается в направлении от оси корпуса, при этом между слоями с винтовым расположением волокон размещены слои с расположением волокон вдоль оси корпуса. Корпус токосъемной штанги троллейбуса выполнен с центральным отверстием по всей длине и достаточного диаметра для размещения токоведущего кабеля.
Недостатком указанной конструкции является:
- наличие среди полимерных волокон углеродных, являющихся проводником, увеличивающим вероятность замыкания штанги на корпус троллейбуса,
- сложность геометрии слоев штанги троллейбуса увеличивает сложность технологического процесса, в связи с этим возрастает себестоимость изделия. Сложный технологический процесс снижает надежность корпуса штанги троллейбуса и приводит к ухудшению качества изделия,
- ограниченность (только с горизонтальной осью вращения) применения способа крепления штанги на троллейбусе.
Известно техническое решение, опубликованное в сети "Интернет" по адресу http://www.bstu.unibel.by/facultet/htit/mmik/stav/s4.htm, 2009 год, согласно которому штанга троллейбусная выполнена в виде стеклопластиковой трубы переменного по длине сечения, как единое изделие, без вставок и клеевых соединений. С целью снижения материалоемкости вместо кольцевого принято прямоугольное сечение по всей длине, внутренний диаметр в месте установки в держатель увеличен с 47,2 до 58 мм и в месте крепления к головке токоприемника - с 24,2 до 36 мм. Разработана конструкция соединительных элементов, которые войдут в комплект поставки изделия. Из состава штанги исключены углеродные волокна.
Недостатками конструкции являются:
- применение штанги прямоугольного сечения обязывает использовать дополнительные устройства, обеспечивающие сочленения корпуса штанги со штангодержателем, установленным на крыше троллейбуса, а также сочленение корпуса штанги с токоприемником. Дополнительные устройства крепления снижают жесткость штанги и увеличивают ее массу,
- повышенный износ штанги и токоведущего провода по причине скольжения прямоугольной штанги ребром по токоведущим проводам в случае ее схода с токоведущего провода,
- большая площадь поперечного сечения штанги, увеличивающая вероятность схода штанг с токоведущих проводов от порыва ветра.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является стальная токосъемная штанга, состоящая из пяти колен и дискретно меняющая диаметр с 52 до 25 мм. На конце хлыстовой части штанги на длине 30-40 мм нарезана резьба. Три колена от хлыстовой части покрыты слоем изоляции - полиэтиленом толщиной 1 мм. На хлыстовую часть штанги надевают токоприемный узел (http://ru.wikipedia.org/wiki/Пaнтoгpaф_(тoкoпpиемник)), связанный с узлом крепления электрокабеля. Согласно источнику токоприемный узел включает в себя изолятор, металлический держатель кабеля и токоприемник. Изолятор выполнен в виде металлической трубы с внутренней резьбой и стеклопластиковой наружной оболочкой, намотанной на трубу и отвержденной на ней. Изолятор крепится на хлыстовой части корпуса штанги, оснащенной по наружной поверхности резьбой М24 мм. После того как изолятор навинчивают на резьбу, его дополнительно закрепляют цанговым зажимом, предохраняющим от самопроизвольного свинчивания со штанги под воздействием вибраций. На изолятор крепиться металлический держатель кабеля при помощи цангового зажима с одним зажимным болтом. На наружную поверхность держателя одевается металлический токоприемник и крепится к держателю цанговым зажимом. Комлевую часть штанги вставляют в штангодержатель, причем в штангодержатель впрессован стеклопластиковый изолятор в виде разрезной трубки.
Ток от токоприемника поступает на металлический держатель, далее с держателя поступает на кабель, соединенный с держателем болтовым соединением. Кабель проходит во внутренней полости штанги и подключается к агрегатам, расположенным на крыше троллейбуса.
Недостатки описанной конструкции следующие.
- Утяжеление всей конструкции штанги троллейбусной.
- Недостаточная жесткость и надежность закрепления токоприемного узла на корпусе штанги и самой штанги в токоприемнике.
- Неудобство, возникающее в процессе демонтажа изолятора для его ремонта или замены. Неудобства связанны с трудностями удерживания кабеля в процессе демонтажа изолятора.
- Быстрый износ изоляционного покрытия по причине трения штанги по токоведущим проводам.
- Быстрый износ держателя кабеля по причине электроэррозии, возникающей на неплотно прилегаемых поверхностях кабеледержателя и токоприемника.
- Ненадежность крепления кабеледержателя на изоляторе.
- Быстрый износ изолятора хлыстовой части штанги по причине коррозии штанги.
- Возможность проворота вокруг оси штанги держателя кабеля вместе с токоприемником.
Сущность изобретения.
Задачей настоящего изобретения является разработка конструкции штанги троллейбуса, которая обладала бы высокой надежностью, в том числе обеспечивала бы надежную диэлектрическую изоляцию корпуса троллейбуса, кроме того конструкция штанги должна обеспечить надежное крепление наконечника штанги в штангодержателе и токоприемного узла на наконечнике.
Поставленная задача решается благодаря тому, что токосъемная штанга троллейбуса содержит наконечник штанги с расположенным в нем узлом крепления электрокабеля, связанным с токосъемным узлом, соединенный с корпусом троллейбуса через штангодержатель. При этом наконечник штанги выполнен из стеклопластиковой трубы овального сечения, выполненной из чередующихся окружных слоев и продольных пакетов, образованных лентами препрега, и соединенной с металлической трубой. Корпус токосъемника установлен непосредственно на конце стеклопластиковой трубы, снабженной текстолитовым вкладышем, и зафиксирован при помощи стопорного пальца, установленного в отверстие вкладыша. Вкладыш может быть выполнен с отверстием для прохода электрокабеля, при этом электрокабель фиксируют гайкой на держателе токосъемника. Либо вкладыш может быть выполнен с отверстием для прохода электрокабеля, с пазом, торцевой стенкой и оснащен болтом, на который фиксируют электрокабель при помощи медной шины, закрепленной на корпусе токоприемника.
Такое решение задачи позволяет получить конструкцию токосъемной штанги с высокими показателями диэлектрической надежности и надежным закреплением как наконечника штанги в штангодержателе, так и токоприемного узла на наконечнике штанги.
Перечень чертежей.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
фиг.1 - общий вид штанги троллейбусной;
фиг.2 - стеклопластиковая труба, овальное сечение;
фиг.3  - наконечник штанги со снятым токоприемником;
фиг 4 - общий вид узла крепления электрокабеля с кабелем, заделанным на держателе токосъемника;
фиг.5 - хлыстовая часть стеклопластиковой трубы в разрезе со снятым корпусом токоприемника;
фиг.6 -общий вид узла крепления электрокабеля с кабелем, заделанным на корпусе токоприемника при помощи шины;
фиг.7 - хлыстовая часть стеклопластиковой трубы в разрезе со снятым корпусом токоприемника.
Осуществление изобретения.
Штанга токосъемная для троллейбуса состоит из наконечника штанги (фиг.1), выполненного в виде стеклопластиковой конусной трубы 1 и металлической цилиндрической трубы 2, корпуса штанги 23, штангодержателя 24, системы поджатия 3, узла крепления электрокабеля с вкладышем 17, токоприемного узла, связанного с узлом крепления электрокабеля и содержащего корпус токоприемника 4, токосъемник 25 и держатель токосъемника 15. Штанга токосъемная для троллейбуса предлагается без токосъемного узла, штангодержателя 24, системы поджатия 3 и корпуса штанги 23.
Наконечник токосъемной штанги выполнен на 4/5 своей длины из стеклопластиковой трубы 1 овального сечения и на 1/5 из металлической трубы 2. Овальное сечение (фиг.2) стеклопластиковой трубы позволяет наиболее выгодно разместить материал пластика по направлению действия изгибающего момента.
Стеклопластиковая труба 1 (фиг.3) выполнена в виде усеченного конуса длиной 3,5 м с наружным диаметром в комлевой части 70 мм, в хлыстовой части 40 мм. При этом внутренний диаметр стеклопластиковой трубы в хлыстовой части составляет 32 мм. Хлыстовая часть стеклопластиковой трубы на наружном диаметре на участке длиной 100 мм выполнена диаметром 40 мм для обеспечения крепления на ней корпуса токоприемника 4. Стеклопластиковая труба 1 имеет переменную толщину стенок от 4 до 6 мм в комлевой части для облегчения веса штанги и оптимального использование материала, воспринимающего изгибающие нагрузки.
Стеклопластиковая труба выполнена из лент препрега толщиной 0.2 мм, шириной 20 мм, где стеклянные волокна составляют 60-70% (мас.) от массы препрега, при этом 60-70% волокон составляют основу, 40-30% - уток.
Стеклопластиковая труба (фиг.2) выполнена из чередующихся окружных слоев 5 и продольных пакетов 6, образованных лентами препрега. Окружные слои выполнены в виде выложенной под 90° к оси штанги непрерывной ленты препрега. Продольные слои образованы продольными пакетами препрега, которые представляют собой развертку по окружности штанги необходимого слоя с учетом нахлеста 7 для образования элепсовидного сечения. Развертки образованы теми же лентами, что и окружные слои, уложенны продольно оси штанги, стык в стык. Исходя из толщины стенок стеклопластиковой трубы и толщины ленты препрега рассчитано необходимое количество слоев для получения заданной толщины стеклопластиковой трубы. Для образования разнотолщинности стенок стеклопластиковой трубы используют три вида разверток разной длины. Количество слоев ткани рассчитывают, учитывая характеристики применяемого материала, исходя из условий прогиба в хлыстовой части штанги, под нагрузкой создаваемой пружинной системой поджатия, не более чем на 400 мм.
Металлическая труба 2 (фиг.3) выполнена из стали с наружным диаметром 58 мм, внутренним не более 52 мм. Толщина стенки металлической трубы должна составлять не менее 3 мм. Металлическая труба выполнена конусной на длине 100 мм от торца, при этом величина конусносности равна величине конусности комлевой части стеклопластиковой трубы. Наружный диаметр выполнен из условия установки трубы в штангодержателе 24, размещенном на крыше троллейбуса.
Корпус токоприемника 4 выполнен металлическим, литым в форме полой трубы с разрезом по нижней кромке, для образования цангового зажима.
Сочленение стеклопластиковой трубы 1 и металлической трубы 2 (фиг.3) осуществляют беззазорно по поверхностям стеклопластиковой и металлической труб с помощью односторонних болтов или заклепок 8, установленных двухрядно.
Установка наконечника токосъемной штанги в штангодержателе 24, расположенном на крыше троллейбуса, осуществляется следующим образом. Наконечник штанги металлической трубой 2 устанавливают в штангодержатель и фиксируют при помощи цангового зажима.
Узел крепления электрокабеля может быть выполнен в двух вариантах.
Вариант №1 поясняется фиг.4, 5.
Узел крепления электрокабеля включает вкладыш 9, стопорный палец 10, узел токоприемника, содержащий токоприемник 4, держателя токосъемника, клеммы держателя токосъемника 16.
Вкладыш 9 предназначен для создания дополнительной жесткости и предотвращения разрушения стеклопластиковой полой трубы в зоне сжатия ее цанговыми зажимами 11, а также для размещения стопорного пальца 10. Вкладыш 9 выполнен из текстолита в виде цилиндра диаметром, равным внутреннему диаметру хлыстовой части стеклопластиковой трубы, длиной 100 мм, с пазом 10×22 мм. Вкладыш размещен (фиг.5) внутри хлыстовой части стеклопластиковой трубы 1 на расстоянии 10-15 мм от торца и закреплен в ней при помощи клеевого соединения.
Стопорный палец 10 выполнен диаметром 12 мм, длиной 25 мм и размещен в отверстии диаметром 12 мм, глубиной 15 мм, просверленном в стенке стеклопластиковой трубы 1 на расстоянии 90 мм от хлыстового торца стеклопластиковой трубы. Стопорный палец предотвращает проворот корпуса токоприемника 4 вокруг оси наконечника штанги. Хлыстовой торец стеклопластиковой трубы снабжен скосом 12 115×20 мм для свободного выхода электрокабеля 13, расположенного внутри штанги.
Монтаж электрокабеля 13 и корпуса токоприемника 4 на наконечник штанги осуществляется следующим образом:
- фиксируют проходящий внутри корпуса штанги электрокабель 13, за пределами наконечника штанги, при помощи небольшого груза, закрепленного на нем,
- устанавливают токоприемник 4 на штангу, так чтобы в паз токоприемника была бы возможность разместить стопорящий палец 10,
- токоприемник 4 закрепляют на штанге при помощи двух цанговых зажимов 11, расположенных на корпусе токоприемника 4,
- далее подключают электрокабель 13 к токоприемнику, размещая наконечник 14 электрокабеля 13 (фиг.4) на держателе токосъемника 15, монтированном на корпусе токоприприемника, крепящим токосъемник к токоприемнику 4,
- зажимают наконечник электрокабеля 13 при помощи клемм 16.
Вариант №2 поясняется фиг.6, 7.
Узел крепления электрокабеля выполнен с вкладышем 17, стопорным пальцем 10, болтом 18, шиной 19 и клеммами.
Вкладыш 17 предназначен для создания дополнительной жесткости и предотвращения разрушения стеклопластиковой полой трубы в зоне сжатия ее цанговыми зажимами, а также для размещения стопорного пальца 10. Вкладыш 17 имеет сложную геометрию, выполнен из текстолита диаметром, равным внутреннему диаметру хлыстовой части стеклопластиковой трубы 1, длиной 100 мм. Вкладыш оснащен пазом 10×22 мм и длиной 94 мм, торцевой стенкой, болтом 18, на который фиксируют электрокабель, а также отверстием для размещения стопорного болта.
Стопорный палец 10 выполнен с диаметром 12 мм, длиной 25 мм и размещен в отверстии диаметром 12 мм и глубиной 15 мм, просверленном в стенке стеклопластиковой трубы 1 на расстоянии 90 мм от хлыстового торца наконечника штанги. Стопорный палец предотвращает проворот токоприемника 4 вокруг оси наконечника штанги.
Вкладыш 17 размещают внутри хлыстовой части стеклопластиковой полой трубы 1 на расстоянии 10-15 мм от торца и закрепляют двумя винтами 20 с возможностью демонтажа.
На расстоянии 15 мм от сплошного торца вкладыша заподлицо с цилиндрической поверхностью устанавливают болт 18 длиной 45-50 см, который служит для соединения элктрокабеля 13 с токосъемником посредством шины 19. (фиг.7).
Монтаж электрокабеля 13 и токоприемника 4 на корпус штанги осуществляется следующим образом:
- вкладыш 17 устанавливают в штангу таким образом, чтобы болт 18 располагался вне штанги,
- болт 18 крепят на стенке вкладыша 17 при помощи гайки 21,
- наконечник кабеля 14 надевают на болт 18 и затягивают гайкой 21 через шайбу,
- вкладыш вводят внутрь штанги и закрепляют двумя винтами 20,
- на штангу надевают токоприемник 4, в паз которого входит стопорный палец 10,
- двумя болтами цангового зажима 22 токоприемник крепят к штанге,
- подключение кабеля 13 к токоприемнику 4 осуществляют медной шиной 19, один конец которой гайками-клеммами крепят к болту 18, а другой конец - к болту цангового зажима 22 токоприемника 4.
Устройство работает следующим образом. Питание электроагрегатов троллейбуса осуществляется от токоведущего провода через токосъемник, подвижно установленный на корпусе токоприемника 4. Токоприемник 4 передает электроэнергию на агрегаты троллейбуса посредствам электрокабеля 13, связанного с токоприемником через болт 18 и шину 19 (вариант 2), или непосредственно на токосъемник 4 (вариант 1).
Предлагаемая конструкция токосъемной штанги позволяет:
- снизить на 18 кг/м воздействие момента силы, необходимого для поджатия токосъемной штанги к токопроводу, за счет снижения массы штанги и перемещения центра тяжести штанги к точке ее крепления в держателе;
- исключить из конструкции изолятор и вывод массой 0,7 кг, расположенный на хлыстовой части штанги;
- снизить вероятность срыва головки токосъемника со штанги за счет уменьшения центробежного ускорения, действующего на токосъемник, крепления его цангой с двумя зажимными болтами и фиксацией шиной к болту, закрепленному в конструкции штанги;
- исключить разрушение токосъемника от электрокоррозии, т.к. отсутствует контакт токосъемника с металлом;
- исключить нежелательный проворот токосъемника вокруг оси штанги за счет фиксации его относительно конструкции штанги;
- исключить периодический ремонт штанги с целью восстановления электроизоляционного покрытия наружной поверхности штанги на длине не менее 3000 мм от хлыстовой части штанги;
- исключить вероятность выброса штанги из держателя за счет исключения разрезной стеклопластиковой втулки, расположенной между цоколем штанги и муфтой держателя.