CC BY
57
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ТОКОПРИЕМНИКОВ МЕТРОПОЛИТЕНА
О.А. СИДОРОВ
Омский государственный университет путей сообщения
В статье рассмотрены конструкции российских и зарубежных токоприемников метрополитена как неуправляемых, так и оснащенных устройствами дистанционного управления и регулирования нажатия. Предложены усовершенствованные конструкции токоприемников, оснащенных пневматическими резинокордными элементами и обладающих улучшенными динамическими характеристиками.
Введение
За последние годы существенно изменились условия работы устройств токосъема электроподвижного состава метрополитена. У серийно выпускаемых вагонов мощность тяговых двигателей достигла 440 кВт, а конструкционная скорость - 25 м/с (90 км/ч). Созданы новые вагоны, оборудованные тиристорноимпульсными преобразователями напряжения и схемой рекуперативного торможения, рассчитанные на скорость 28 м/с (100 км/ч). Все это привело к необходимости совершенствования конструкций токоприемников для обеспечения их безопасной и надежной работы при минимальном износе контактных элементов.
Анализ отечественных и зарубежных конструкций токоприемников метрополитена
Основной отличительной особенностью системы токосъема метрополитена является использование контактного рельса с нижней или верхней рабочей поверхностью.
С контактным рельсом взаимодействуют токоприемники, которые можно разделить на две большие группы: неуправляемые и управляемые.
К неуправляемым относятся конструкции, не имеющие дистанционного управления приводом подъема и опускания.
К управляемым можно отнести токоприемники, оснащенные приводом, связанным с системой дистанционного управления, а в некоторых случаях и с устройствами регулирования нажатия.
Метрополитены России и многих зарубежных стран имеют систему токосъема, выполненную с использованием неуправляемых токоприемников (рис. 1,а).
Токоприемник представляет собой подвижную в вертикальной плоскости раму 1, на конце которой жестко закреплен токосъемный башмак 2, взаимодействующий с нижней поверхностью контактного рельса 3, который через изолятор 4 связан с кронштейном 5.
© О.А. Сидоров Проблемы энергетики, 2004, № 9-10
10
а
б
2-С_2''"'2 1
У////; У////А
Г\1 !■■ VI
,_5£
~й 2
ж
4 2 >
и
к
л
Рис. 1. Неуправляемые токоприемники метрополитена: а - ТР-3; б - а.с. 796004 (Россия); в - метро г. Стокгольм; г - «Огайо-Брасс» (США); д - метро г. Париж; е - фирма «Фэвлей» (Франция); ж - негативный токоприемник (Франция); з - патент 2700304 (Франция); и - двусторонний токоприемник метрополитена (Россия); к - токоприемник ОмГУПСа; л - патент 58-163685 (Япония)
Нажатие на контактный рельс осуществляется пружинами сжатия 6, установленными между рамой 1 и основанием 7. Снимаемый ток через гибкий шунт 8 и кабель 9 передается на силовое электрооборудование 10. Основание 7 токоприемника закреплено на изолировочном брусе 11, который установлен на буксах 12 колесной пары 13, взаимодействующей с ходовым рельсом 14.
В России (а.с. 796004) предложен токоприемник (рис. 1,б), оснащенный упором 1, который воздействует на концевой выключатель 2 при подъеме токоприемника в момент схода с концевого отвода контактного рельса. Токоприемник отключается от силовой цепи, что исключает возможность дугообразования в момент схода и захода в зонах захвата концевых частей рельса.
В метрополитене г. Стокгольма используется токоприемник, токосъемный башмак 1 которого прижимается к верхней поверхности контактного рельса 2 с помощью спиральной пружины 3 (рис. 1,в).
3
2
з
2
В конструкции токоприемника «Огайо-Брасс» (США) нажатие
токоприемника 1 осуществляется резиновым торсионом 2, заключенным в металлическую обойму 3 (рис. 1,г).
В метрополитене Парижа (Франция) используются токоприемники 1, оснащенные пластинчатыми пружинами 2, жестко закрепленными на основании, подвешенном к изоляторам 3 (рис. 1, д).
Фирмой «Фэвлей» (Франция) разработан рычажно-рамный токоприемник, башмак 1 которого установлен на системе подвижных рам 2, оснащенных пружиной 3 (рис. 1,е). Той же фирмой предложен негативный токоприемник (рис. 1,ж), башмак которого взаимодействует с ходовым рельсом, обеспечивая работу отсасывающей цепи при использовании пневматических и резиновых колес на подвижном составе. Нажатие осуществляется пружиной 2, установленной в шарнирной системе 3.
Для работы в условиях значительных вертикальных перемещений основания токоприемника относительно ходовых рельсов разработана конструкция (рис. 1,з), содержащая взаимодействующий с ходовым рельсом 1 башмак 2, который через пластинчатые пружины 3 соединен с рамой 4, содержащей упругие элементы 5.
В России предложена конструкция токоприемника (рис. 1,и) с двусторонним токосъемным башмаком 1, который установлен на раме 2, соединенной с основанием через пружины 3 и 4. В Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПС) разработан токоприемник ТР-5 (рис. 1,к), оснащенный упругим элементом 1, усилие от которого через штангу 2 и пружины вторичного подрессоривания 3 передается на башмак 4.
В Японии (патент 58-163685) создана конструкция токоприемника, оборудованного закрепленной на основании 1 изолировочной пластиной 2, обеспечивающей электробезопасность при уменьшении вертикальных габаритов системы токосъема.
Управляемые токоприемники, используемые на зарубежных линиях метрополитена, оснащены пневматическим приводом в виде пневмоцилиндров одно- и двустороннего действия (рис. 2).
Фирмой «Телефункен» предложен токоприемник (рис. 2,а) с нажимной пружиной 1, растяжение которой обеспечивается пневмоцилиндром 2, управляемым с пульта машиниста 3 путем подачи воздуха от ресивера 4 в цилиндр через электропневматический клапан 5.
Токоприемник системы «Вестингауз» (рис. 2,б) содержит кривошип 1, соединенный с подпружиненным поршнем 2 пневмоцилиндра 3, надпоршневое пространство которого через клапан 4, управляемый с пульта 5, соединено с ресивером. При включении клапана 4 поршень 2 обеспечивает опускание токосъемного башмака.
В метрополитене г. Осло (рис. 2,в) используется токоприемник, содержащий шарнирно установленный башмак 1. Двусторонний пневмоцилиндр, содержащий пружину 2 и поршень 3, управляется клапаном 4 по команде с пульта 5. Пневмоцилиндр обеспечивает подъем и опускание токоприемника.
Аналогичный по конструкции токоприемник используется в метрополитене г. Амстердама (рис. 2,г). Отличие его от других устройств состоит в том, что подпружиненный поршень 1 пневмоцилиндра, управляемого через клапан 2 с пульта 3, обеспечивает подъем и опускание рамы, оснащенной встроенным изолятором 4.
Рис. 2. Управляемые токоприемники зарубежных метрополитенов: а - фирма «Телефункен» (Германия); б - фирма «Вестингауз» (США); в - метро г. Осло (Норвегия); г - метро г. Амстердам (Нидерланды); д - метро г. Вена (Австрия); е - патент 56-170056 (Япония)
На линиях венского метрополитена (рис. 2,д) используется токоприемник с верхней контактной частью рельса, с которой взаимодействует башмак 1. Нажатие осуществляется спиральной пружиной 2, а подъем - поршнем 3 пневмоцилиндра, соединенного с клапаном 4, управляемым с пульта 5.
Расцепляемая конструкция привода использована в токоприемнике, предложенном в Японии (рис. 2,е). Опускание токосъемного башмака осуществляется роликовым толкателем 1, установленным на конце рычага 2, который соединен с подпружиненным поршнем 3 пневмоцилиндра. Подача воздуха осуществляется через управляемый клапан 4 по команде с пульта 5.
Во ВНИИЖТе (Россия) разработан управляемый пневматический токоприемник с клиновым приводом (ТРКП) [1].
Токоприемник ТРКП (рис. 3) содержит токосъемный башмак 1, который посредством пружины 2 установлен на раме 3, шарнирно связанной с основанием
4. Нажатие на контактный рельс 5 обеспечивается пружиной 6, установленной между рамой 3 и основанием 4. Для регулировки величины отведения рамы используется упор 7. Основание 4 шарнирно связано с транспортным средством и оснащено клиновым приводом 8, соединенным с пневмоцилиндром двустороннего действия. Полости цилиндра соединены через электропневматический клапан 9 с источником сжатого воздуха 10. Клапан 9 включен в цепь управления работой токоприемника и связан с пультом машиниста 11.
Токоприемник ТРКП имеет дистанционное управление, более высокие динамические качества за счет наличия подрессоривания башмака и меньшей приведенной массы - 5,5 кг по сравнению с 6,9 кг у серийно выпускаемого токоприемника ТР-3.
Предлагаемые______направления_______совершенствования______конструкций
токоприемников метрополитена
Анализ отечественного и зарубежного опыта в создании новых конструкций токоприемников метрополитена показал, что основными направлениями совершенствования их конструкции являются использование пневматического цилиндра для дистанционного управления включением и отключением токоприемника, установка токосъемного башмака на раме посредством шарнира, использование вторичного подрессоривания, уменьшение приведенной массы, применение встроенных изоляторов, повышение нагрузочной способности.
Специалистами ОмГУПСа разработаны усовершенствованные конструкции токоприемников ТР-3м и ТРЭП [2].
Токоприемник ТР-3м выполнен на базе серийного ТР-3. Основная цель разработки - создание конструкции с дистанционным управлением и улучшенными динамическими характеристиками при неизменной кинематической схеме токоприемника.
Токоприемник модели ТР-3м (рис. 4) содержит токосъемный башмак 1, жестко связанный с рамой 2, которая посредством шарнира 3 закреплена на изолировочном брусе 4, установленном на буксах тележки вагона. Основным отличием конструкции токоприемника ТР-3м от ТР-3 является использование
вместо нажимных пружин пневматического резинокордного элемента (РКЭ) 5, полость которого через электропневматический клапан 6 и стабилизатор давления 7 связана с воздушным резервуаром 8. Управление подъемом и опусканием башмака может осуществляться от пульта машиниста путем включения и выключения клапана 6. Наличие РКЭ позволяет использовать не только дистанционное управление, но и систему регулирования нажатия в зависимости от режимов движения и условий работы.
В ОмГУПСе разработаны токоприемники, оснащенные различными системами авторегулирования нажатия (САРН). Для токоприемника модели ТР-3м авторами предложена САРН, выполненная с использованием принципов ресурсосберегающей техники и технологии, сочетающая в себе эффективность, простоту и надежность. Для этого в САРН применено устройство самоподпитки 10 (см. рис. 4), использующее кинетическую энергию движения токосъемного башмака при возникновении его вертикальных колебаний с амплитудой, превышающей допустимое значение. При появлении опасных колебаний башмака, например, во время прохода концевого отвода, САРН обеспечивает увеличение давления воздуха в РКЭ и, следовательно, увеличение статического нажатия. После прекращения опасных колебаний величина нажатия устанавливается на прежнем уровне.
Наличие РКЭ позволяет эффективно решить и задачу опускания токоприемника в аварийных ситуациях. Для этого достаточно обесточить цепь управления электропневматическим клапаном 6, который соединяет полость РКЭ с атмосферой.
Необходимо отметить, что РКЭ обеспечивает эффективное гашение колебаний башмака за счет виброгасящих свойств оболочки, а также при использовании дополнительного резервуара, соединенного с полостью РКЭ через пневмодроссель.
Применение РКЭ, по сравнению с пневмоцилиндром, позволяет уменьшить значение рабочего давления в пневмосистеме, за счет большей эффективной площади РКЭ с 0,5 у ТРКП до 0,08 МПа у ТР-3м, что значительно снижает расход воздуха на работу пневмосистемы.
Токоприемник ТРЭП выполнен на основе ТРКП. Основная цель разработки - оценка возможности использования электромеханического механизма привода.
Токоприемник ТРЭП (рис. 5) содержит токосъемный башмак 1, посредством пружин 2 установленный на раме 3, шарнирно связанной с основанием 4. Статическое нажатие обеспечивается пружиной 6. Рама 4 связана с электромеханическим приводом, который содержит тягу 7, винтовую пару 8, редуктор 9 и электродвигатель постоянного тока 10, связанный с пультом 11 машиниста.
Электромеханический привод позволяет отводить токосъемный башмак от контактного рельса с требуемой скоростью и на необходимое расстояние, что обеспечивается выбором частоты вращения двигателя и момента срабатывания конечных выключателей, установленных в цепи управления. Информация о режиме работы выводится на пульт машиниста в виде световой индикации.
Выводы
1. Анализ токоприемников отечественных и зарубежных метрополитенов показал, что основными направлениями совершенствования их конструкций являются использование устройств дистанционного управления и снижение приведенной массы за счет применения элементов вторичного подрессоривания.
2. В качестве исполнительного элемента системы управления и регулирования нажатия токоприемника следует использовать пневматический резинокордный элемент, обладающий наиболее высокими энергетическими показателями при минимальной собственной массе.
3. Для обеспечения надежной работы токоприемников метрополитена при высоких скоростях движения целесообразно использовать разработанную в ОмГУПСе систему автоматического регулирования нажатия, обеспечивающую надежный токосъем при минимальном износе контактных материалов.
Summary
In the article designs of the Russian and foreign current collectors of subway, both unguided, and equipped are considered by devices of remote control and regulation of pressing. The advanced designs of the current collectors equipped with pneumatic rubber-cord elements, and possessing by the improved dynamic characteristics are offered.
Литература
1. Сидоров О. А. Совершенствование конструкций токоприемников метрополитена // Совершенствование контактной сети и токоприемников и улучшение технологических процессов их эксплуатации: Межвуз. темат. сб. науч. тр. - Омск: Омский ин-т инж. ж.-д. транспорта, 1987. - С. 55 - 61.
2. Михеев В. П., Сидоров О. А. Совершенствование систем контактного токосъема с жестким токопроводом: Монография. - Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения, 2003. - 182 с.
Поступила 01.09.2004
