CC BY
28
Техника и инновации
УДК 621.336.7 О. А. Сидоров
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ УСТРОЙСТВ ТОКОСЪЕМА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
Ключевые слова: токоприемник неуправляемый, токоприемник управляемый, резинокордный элемент, токосъемный башмак, контактный рельс, токопровод с боковой рабочей поверхностью.
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. 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).
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).
ж а
У//////А
шШ д
1
и к л
Рис. 1. Неуправляемые токоприемники метрополитена:
а - ТР-3; б - а. с. 796004 (Россия); в - метро г. Стокгольм (Швеция) (спиральная пружина); г - Огайо-Брасс (США) (резиновый вал); 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)
3
б
1
в
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 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) предложена конструкция токоприемника, оборудованного закрепленной на основании 1 изолировочной пластиной 2, обеспечивающей электробезопасность при уменьшении вертикальных габаритов системы токосъема.
Управляемые токоприемники метрополитена, используемые на зарубежных линиях метрополитена, оснащены пневматическим приводом в виде пневмоцилин-дров 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. Пневмо-цилиндр 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.
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.
Создание управляемых токоприемников в России обусловлено тем, что за последние годы изменились условия работы системы токосъема. У серийно выпускаемых вагонов метрополитена мощность тяговых двигателей достигла 440 кВт, а конструкционная скорость — 25 м/с (90 км/ч). Созданы новые вагоны, оборудованные тиристорно-импульсными преобразователями напряжения и схемой рекуперативного торможения, рассчитанные на скорость 28 м/с (100 км/ч). Все это привело
к необходимости совершенствования конструкции за счет использования дистанционного управления и системы вторичного подрессоривания.
О
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)
Во ВНИИЖТе разработан управляемый пневматический токоприемник с клиновым приводом (ТРКП) [1]. Токоприемник ТРКП (рис. 3) содержит токосъем-ный 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 пневмоцилин-дром двустороннего действия. Полости цилиндра соединены через электропневма-
а
б
3
1
2
4
г
д
тический клапан 9 с источником сжатого воздуха 10. Клапан 9 включен в цепь управления работой токоприемника и связан с пультом машиниста 11.
В отличие от серийного токоприемник ТРКП имеет дистанционное управление, более высокие динамические качества за счет наличия подрессоривания башмака и меньшей приведенной массы — 5,5 кг по сравнению с массой 6,9 кг у ТР-3.
К числу недостатков конструкции можно отнести наличие зависимости между видом статической характеристики и величиной отведения башмака от рельса; недостаточную надежность клинового привода, особенно в условиях запыленности или гололеда; невозможность отключения токоприемника при повреждении пневмосистемы или цепи управления; малую величину электрического зазора между башмаком и рельсом при отведении.
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 [2].
В ОмГУПСе разработаны усовершенствованные конструкции токоприемников ТР-3м и ТРЭП]. Токоприемник ТР-3м выполнен на базе серийного ТР-3. Основная цель разработки — создание конструкции с дистанционным управлением и улучшенными динамическими характеристиками за счет применения вместо нажимных пружин пневматического резинокордного элемента при неизменной конструкции 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 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.
.5
10
3 2 1 Рис. 3 . Токоприемн ик ТР КП
Рис. 4. Токоприемник ТР-3м
В ОмГУПСе разработаны токоприемники, оснащенные различными системами авторегулирования нажатия (САРН). Для токоприемника модели ТР-3м авторами предложена САРН, выполненная с использованием принципов ресурсосбере-
гающей техники и технологии, сочетающая в себе эффективность, простоту и надежность. Для этого в САРН применено устройство самоподпитки 10 (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. Наличие РКЭ позволяет уменьшить значение рабочего давления в пневмосистеме за счет большей эффективной площади РКЭ: с 0,5
у ТР-3 до 0,08 МПа у ТР-3м, что значительно снижает расход воздуха на работу пнев-мосистемы. Токоприемник ТРЭП выполнен на основе ТРКП. Основная цель разработки - оценка возможности использования электромеханического механизма привода. Токоприемник ТРЭП (рис. 5) содержит токо-съемный 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.
Основные параметры российских токоприемников метрополитена приведены в табл. 1. Наиболее значимыми узлами жестких токопроводов являются стыковые участки температурной компенсации и концевые отводы. Именно на этих частях возникают нежелательные явления во время ударов контактных элементов о поверхность токопроводов.
В связи с этим в ОмГУПСе разработаны варианты стыковых узлов и концевых отводов, позволяющие значительно снизить разброс нажатия при прохождении этих зон и уменьшить вероятность отрывов токосъемных элементов от токопровода. Предложена конструкция жесткого токопровода с боковой рабочей поверхностью (рис. 6) [3]. Устройство включает в себя отрезки контактной шины 1 с горизонтальной крепежной и вертикальной контактной поверхностями, соединенные между собой с помощью шарниров 2. Средние части отрезков контактной линии 1 связаны с опорными устройствами 3 через изоляторы 4, а также посредством шарниров 5. Отрезки контактной шины 1 соединены между собой посредством шарниров так, что образуют зигзаг в вертикальной плоскости. Это обеспечивает равномерный
Рис. 5. То коприемник ТРЭП
износ пластин токоприемников. Температурная компенсация удлинений отрезков контактной шины 1 обеспечивается их поворотом в шарнирах 2 и 5.
Таблица 1
Основные параметры токоприемников метрополитена
Показатели Тип токоприемника
ТР-3 ТР-3м ТРКП ТРЭП-1
Номинальное напряжение, В 750 750 750 750
Длительный ток, А 1010 1010 1150 1150
Приведенная масса, кг 6,9 7,0 5,5 5,5
Максимальная скорость, м/с (км/ч) 28 (100) 30 (110) 33 (120) 33 (120)
Статическое нажатие, Н 180 180 150 150
Масса, кг 41,0 41,2 26,2 25,8
Тип привода - Пневморессо-ра Пневмоци-линдр Электроме-ханич.
Время, с:
подъема Вручную 1,2 2,1 2,3
опускания 1,1 2,1 2,2
Наличие аварийного от- + +
ключения
Аэродинамическая подъемная сила, Н 12,2 12,2 15,0 15,0
Давление воздуха в
пневмосистеме привода, — 0,08 0,5 —
МПа
Наличие вторичного + +
подрессоривания
Неравномерность статического нажатия, 103 Н/м 4,6 4,6 (3,4*) 3,8 3,8
* При наличии соединенного с РКЭ дополнительного резервуара объемом 5 л.
о;
ЧЬ—-" 4 2
Рис. 6. Токопровод с боковой рабочей поверхностью
Для улучшения работы беззазорного стыкового узла предложена конструкция клинового соединителя для жесткого токопровода (рис. 7) [4]. Он содержит клинообразную вставку 1, установленную с возможностью температурного перемещения относительно скошенных концов рельсов 2, прижимные пружины 3, регулятор нажатия 4.
При сезонных и суточных температурных деформациях, например при повышении температуры летом, удлиняются отрезки контактных рельсов 2 и контактирующие поверхности указанных рельсов и вставки оказываются плотно прижатыми
друг к другу. Вставка 1 в этом случае находится под действием сжимающей силы, которая вызывает ее перемещение поперек оси пути, преодолевая усилие прижимных пружин, которое ослабляется из-за того, что срабатывает регулятор 4 нажатия и вставка 1 перемещается значительно лучше. При сезонных и суточных температурных деформациях, например при понижении температуры зимой, изменяется направление силы, действующей на вставку 1, которая под действием усилия прижимных пружин 3 перемещается к оси рельсов и увеличивается, когда срабатывает регулятор 4 нажатия. Причем под действием регулируемого в зависимости от сезонной, суточной или вызванной тепловой токовой перегрузкой разности температуры нажатия прижимных пружин 3 вставка 1 обеспечивает более надежный контакт в стыковых соединениях в пределах всего диапазона колебаний температурных перемещений отрезков контактных рельсов. Это исключает возможность заклинивания в стыковых соединениях, устраняет опасность образования зазора в стыке, снижает износ контактных элементов токоприемника.
2 / 1' 2 ' Рис. 7. Стыковой соединитель жесткого токопровода
Для концевых отводов контактного рельса метрополитена предложена конструкция, схема которой представлена на рис. 8 [5]. Данная конструкция содержит закрепленный на опорах 1 контактный рельс 2, концевые участки 3 которого отогнуты в направлении усилия нажатия взаимодействующего с ним подпружиненного стального контактного элемента 4 токоприемника, установленного на транспортном средстве 5. Рабочая поверхность контактного рельса 2 на концевых участках 3 снабжена постоянным магнитом 6. Постоянный магнит 6 установлен в продольном пазу 7, выполненном на рабочей поверхности контактного рельса 2.
2 1
А - А
Рис. 8. Схема концевого отвода, разработанного в ОмГУПСе:
а - общий вид; б - сечение рельса
б
При въезде токоприемника на концевой участок 3 контактного рельса 2 стальной контактный элемент 4 попадает в магнитное поле постоянного магнита 6, расположенного в пазу 7 так, что один из его полюсов обращен к контактному элементу 4. Магнитные силовые линии, замыкаясь через рельс 2 и токосъемный элемент 4, формируют силу, притягивающую токоприемник к рабочей поверхности рельса 2. Наличие дополнительной силы, увеличивающей статическое нажатие токоприемника, снижает вероятность нарушения скользящего контакта и уменьшает время переходного процесса вертикальных колебаний токоприемника при проходе им концевых участков. Это позволяет уменьшить значение статического нажатия, так как для обеспечения надежного токосъема на прямых участках необходимая величина нажатия меньше, чем на концевых. Для снижения вероятности повреждения поверхности магнита, обращенной к токоприемнику, она может быть закрыта износостойкой металлической пластиной. Магнит может быть изготовлен как из отдельных блоков, так и в виде протяженного бруска из ферромагнитных интерметаллических соединений редкоземельных материалов (типа SmCo5).
Предлагаемое устройство может быть использовано, например, для системы токосъема метрополитена, где применяются токоприемники с массивными контактными элементами, имеющими приведенную массу до 10 кг. При движении подвижного состава со скоростями выше 90 км/ч значительно ухудшается качество токосъема на концевых участках, которые оборудуются отводами с уклонами 1/25 и 1/30. Использование магнита, выполненного из материала SmCo5, с поперечным сечением, например, 40 х 25 мм и длиной 3 м (вдоль концевого участка) позволяет увеличить нажатие на данном участке на 60 Н для стального контактного элемента токоприемника ТР-3 и установить начальное нажатие на 60 Н меньше, что значительно снижает износ контактных элементов на прямых участках.
В качестве заключения можно отметить следующее. На основе анализа и классификации конструкций токоприемников и токопроводов метрополитенов зарубежных стран и России выявлены основные тенденции совершенствования их схемных решений. Основными направлениями развития является использование устройств, обеспечивающих дистанционное управление подъемом и опусканием то-косъемного узла, что значительно повышает безопасность при эксплуатации и позволяет применять элементы авторегулирования.
Для конструкций жестких токопроводов характерным является широкое применение устройств, обеспечивающих беззазорное стыкование при компенсации температурных удлинений, и конструкций, обеспечивающих дополнительное прижатие контактных элементов к токопроводам на концевых отводах. Указанные мероприятия позволяют повысить надежность токосъема при скоростях до 120 км/ч.
Библиографический список
1. Сидоров, О. А. Совершенствование конструкций токоприемников метрополитена / О. А. Сидоров // Совершенствование контактной сети и токоприемников и улучшение технологических процессов их эксплуатации: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. -Омск, 1987. - С. 55 - 61.
2. Сидоров, О. А. Методы разработки и исследования контактных систем токосъема скоростных видов монорельсового транспорта / О. А. Сидоров, В. П. Михеев // Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта: тез. докл. междунар. конф. / МИИТ. - М., 1996. - С. 128.
3. А. с. 1180823 СССР. МКИ3 В 60 М 1/26. Контактная сеть / М. Ю. Ананьев, О. А. Сидоров, А. В. Запрудский // Открытия. Изобретения. - 1985. - № 40.
4. А. с. 1782794 СССР. МКИ3 В 60 М 1/30. Соединитель контактных рельсов / О. А. Сидоров, В. П. Михеев, А. Г. Емельянов // Открытия. Изобретения. - 1992. - № 47.
5. А. с. 1549812 СССР. МКИ3 В 60 М 1/30. Контактный рельс токосъема транспортного средства / О. А. Сидоров, В. П. Михеев // Открытия. Изобретения. - 1990. - № 10.
Сидоров Олег Алексеевич - доктор технических наук, профессор, Дата поступления статьи
заведующий кафедрой «Электроснабжение железнодорожного транс- в редакцию:
порта» Омского государственного университет путей сообщения 16.02.2010 г.
©О. А. Сидоров, 2010
УДК 624.042.7
Ю. А. Бурьян, В. Н. Сорокин
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ МНОГОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА СЕЙСМОИСТОЧНИКОМ С СИЛОВЫМ ЗАМЫКАНИЕМ В СИСТЕМЕ «ИНЕРЦИОННАЯ МАССА - ГРУНТ»
Ключевые слова: низкочастотный источник сейсмических волн, конструктивная схема, инерционная масса, нефтегазовые пласты, сейсмическое воздействие
Известно, что нефтяные залежи имеют несколько доминантных частот, значения которых определяются на подготовительном этапе вибросейсмического воздействия. Например, в работе [2] показано, что нефтепродуктивный пласт обладает частотной избирательностью реакции сейсмической эмиссии на вибросейсмическое воздействие, которое проявляется в усилении эмиссии (сейсмическая люминесценция) на отдельных (доминантных) частотах. На рис. 1 приведена из работы [2] частотная характеристика эмиссионного отклика на вибросейсмическое воздействие на частоте 12 Гц и длительностью 40 мин.
0„/ СМо, раз
Рис. 1. Частотная характеристика эмиссионного отклика:
Gм - амплитуда эмиссионного отклика после воздействия; GМо - амплитуда эмиссионного отклика до воздействия
По существующей в настоящее время технологии, вибросейсмическое воздействие выполняется на одной доминантной частоте, и в этом случае в резонансные колебания
