РЕФЕРАТ
Тема: Разработка и исследования авторегулируемого токоприемника
Алматы, 2008
Повышение скорости электроподвижного состава существенным образом влияет на качество токосъема при сохранении неизменными взаимодействующих устройств-токоприемника и контактной сети. Объясняется это тем, что главные составляющие контактного нажатия (нажатие в контакте полоз токоприемника — контактный провод) - динамическая и аэродинамическая — пропорциональны квадрату скорости движения э. п. с.
Токосъем при высоких скоростях движения и неоптимальных параметрах взаимодействующих устройств характеризуется большими и резко изменяющимися в процессе движения значениями контактного нажатия. Это уменьшает срок службы контактного провода из-за появления местных износов и усиления помех приему радиои телевизионных сигналов в зоне электрифицированной железной дороги.
Повысить качество токосъема, т. е. стабилизировать и понизить контактное нажатие до оптимального уровня, можно улучшением параметров и конструктивного выполнения как контактной сети, так и токоприемника или обоих устройств вместе. Решается это различными способами.
Высокоскоростное движение электроподвижного состава в нашей стране будет внедряться на линиях, контактная сеть которых была спроектирована, исходя из максимальной скорости движения 160, а иногда и 120 км/ч. В этих условиях для надежного токосъема, а также во избежание дорогой, трудоемкой и требующей большого количества "окон" в движении поездов модернизации контактной сети наиболее целесообразны разработка и применение токоприемника, который позволяет обойтись без переустройства контактной сети. Такое наиболее экономичное решение для надежного токосъема при скоростях движения поезда до 200 км/ч на линии Москва — Ленинград, на ряде участков которой несколько десятилетий назад смонтирована полукомпенсированная рессорная контактная подвеска, было положено в основу разработок ВНИИЖТа.
Первым этапом этой работы было определение основных технических требований к токоприемнику, т. е. определение допустимого значения приведенной массы, диапазона статического нажатия, характера изменения аэродинамической подъемной силы, количества рядов контактных элементов на полозе и.т. д.
Допустимое значение приведенной массы устанавливали экспериментально, серией поездок с токоприемниками разной приведенной массы (в диапазоне от 24,5 до 43 кг) по участкам контактной подвески с разными стрелами провеса контактного привода и с различными натяжениями проводов. Запись длительностей нарушений контакта между полозом и проводом и отжатий контактного провода проходящими токоприемниками позволила определить, что на участках постоянного тока, оборудованных полукомпенсированной рессорной контактной подвеской, при скоростях движения 200 км/ч применение на электропоездах токоприемников со средней приведенной массой свыше 26 км недопустимо.
Оптимальное значение статического нажатия определяли исходя из условий минимального изнашивания контактных элементов полоза, чему, очевидно, соответствует минимальное изнашивание контактного провода. Длительные линейные испытания показали, что минимальное изнашивание контактных элементов полоза происходит при статических 'нажатиях в зоне 90 Н. Было принято, что рабочее статическое нажатие должно находиться в диапазоне 80—110 Н (в ФРГ, например, для токоприемников высокоскоростного э. п. с. постоянного тока статическое нажатие принято равным 90—120 Н).
С ростом скорости движения и увеличеньем инерционных сил контактное нажатие в моменты появления отрицательных динамических составляющих может оказаться равным нулю, т. е. контакт между полозом токоприемника и проводом нарушается. Для предупреждения таких явлений целесообразно увеличение аэродинамической подъемной силы токоприемника.
Оптимальная характеристика аэродинамической подъемной силы должна быть такой, чтобы эффективно влиять на сокращение длительности отзывов полозов от провода и не вызывать увеличения изнашивания элементов скользящего контакта и появления таких отжатий контактного провода, при которых возможны аварийные ситуации. На значение аэродинамической подъемной силы существенным образом влияет место расположения токоприемника на электроподвижном составе (удаление от лобовой стенки локомотива), а также скорость и направление ветра.
Расчетным путем с использованием результатов испытаний в аэродинамической трубе и на линии ряда токоприемников было установлено, что аэродинамическая подъемная сила токоприемника в горизонтальном встречном потоке воздуха, имеющем скорость 55,6 м/с, должна равняться 70—80 Н.
На электропоезде ЭР200 токоприемник не будет снимать ток свыше 800 А. Проведенные ранее автором линейные тепловые испытания различных полозов на экспериментальном кольце ВНИИЖТа, где обеспечивалось высокое постоянство нагрузки, позволили установить [1], что в данном случае на токоприемнике достаточно применение одного полоза с тремя рядами пластин (медных, металлокерамических или угольных); при этом превышение температуры пластин (вставок) над температурой окружающего воздуха не окажется больше регламентированного ГОСТ 12058—72. "Токоприемники электроподвижного состава магистральных железных дорог".
Такими были основные технические требования к токоприемнику электропоезда ЭР200.
Наибольшую трудность при разработке нового токоприемника представляло обеспечение малой приведенной массы, так как диапазон высот подвешивания контактного провода на электрифицированных дорогах постоянного тока колеблется от 5550 до 6800 мм.
Конструктивное решение задачи было найдено созданием токоприемника в виде двух подвижных систем, расположенных одна над другой. В токоприемнике использован принцип авторегулирования: при наличии пневматических элементов верхняя подвижная - система управляет нижней.
Однако нижняя система приходит в движение только при значительных перемещениях верхней (т. е. при больших изменениях высоты подвешивания контактного провода). При малых перемещениях верхней системы, когда высота подвеса контактного провода изменяется не более чем на ±300 мм относительно его положения, соответствующего среднему положению верхней системы, нижняя система остается неподвижной.
Конструктивно верхняя подвижная система выполнена в виде двух пятизвенников, нижняя — в виде двух параллелограммов. Каждая система имеет свой привод. В отличие от обычного для токоприемников привода, примененного в верхней системе, в привод нижней системы включен золотник 15 шток которого механически связан посредством тяг с одним из главных валов 18 верхней системы. Нахождение поршня в средней части золотника обеспечивает перекрытие воздухопровода поэтому при малом перемещении полоза, а следовательно, и поршня нижняя система не изменяет своего положения.
При большом подъеме рам верхней системы поршень золотника, перемещаясь вправо, открывает доступ сжатому воздуху в пневматический цилиндр 13, и рамы нижней подвижной системы также поднимаются. Подъем нижних рам продолжается до тех пор, пока поршень золотника, перемещаясь влево (из-за подъема этих рам при неизменной теперь высоте полоза), не перекроет канал воздухопровода 16. В случае большого опускания рам верхней системы поршень золотника начинает смешаться влево и тем самым в определенный момент обеспечит связь пневматического цилиндра 73 через золотник с атмосферой; в результате подвижные рамы нижней системы опускаются (до тех пор, пока поршень золотника, перемещаясь вправо вследствие распускания рам верхней системы, не перекроет канал воздухопровода 16).
Приведенная масса авторегулируемого токоприемника равна сумме приведенной массы верхней подвижной системы и массы полоза. Это очевидно, когда нижняя система неподвижна, а для переходного режима, когда нижняя система изменяет свою высоту (например, при проходе токоприемником искусственного сооружения с низким расположением контактного провода), это надо доказать.
Специальными теоретическими [2], а затем и экспериментальными исследованиями [3] было доказано, что и в переходном режиме можно исключить влияние массы нижней подвижной системы на динамику контакта, если обеспечить определенную скорость перемещения этой системы.
Для этого исходя из массы рам нижней подвижной системы, объема цилиндра ее пневмопривода и максимальной скорости движения э. п. с. достаточно рассчитать площадь окна золотника. При оптимальном сечении окна на значение приведенной массы авторегулируемого токоприемника в переходных режимах, так же как и при неизменном положении нижней системы, не влияет значение массы нижней системы.
Стержни рам верхней подвижной системы авторегулируемого токоприемника в 2 раза короче стержней рам серийных токоприемников. Поэтому и приведенная масса этой системы примерно в 2 раза меньше приведенной массы рам токоприемников П-1, П-3, Т-5, составляя 9,5 кг. Приведенная масса всего авторегулируемого токоприемника Сп-6М, оборудованного полозом с четырьмя рядами медных пластин (такое количество рядов принято для увеличения пробега полоза до предельного износа пластин), равна 24,5 кг, а это меньше массы, определенной техническими требованиями.
Здесь следует отметить, что несколько позднее двухступенчатые ("двухэтажные") токоприемники были разработаны и во Франции (фирмой Фэвлей). Однако в отличие от токоприемника, разработанного во ВНИИЖТе, в токоприемнике фирмы Фэвлей авторегулирование не применимо и стабилизация положения нижней системы осуществляется только достаточно мощным демпфером. При таком выполнении приведенная масса складывается не только из массы полоза и приведенной массы верхней системы, но и части приведенной массы нижней системы. Это доказывается, в частности, тем, что средние значения отжатий контактного провода у опор и размаха вертикальных перемещений полоза в пролетах при скоростях свыше 215—263 км/ч оказались в основном больше, чем при испытаниях одной верхней системы, установленной на крыше электровоза на неподвижном основании. Это говорит о целесообразности применения авто регулирования в двухступенчатых токоприемниках при применении их на высокоскоростном электроподвижном составе.