CC BY
12
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИК
УДК 621.336.7
ЖЕСТКИЕ ТОКОПРОВОДЫ ЭСТАКАДНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ И МЕТРОПОЛИТЕНА
О. А. СИДОРОВ
Омский государственный университет путей сообщения
В статье рассмотрены варианты отечественных и зарубежных конструкций жестких токопроводов метрополитена и эстакадного транспорта. Предложены приоритетные технические решения температурных стыков и концевых отводов токопроводов и контактных рельсов, обеспечивающих надежный токосъем при высоких скоростях движения и значительных перепадах температуры окружающего воздуха.
Введение
Системы контактного токосъема с жестким токопроводом нашли широкое применение в качестве устройств передачи электроэнергии на борт подвижного состава метрополитена и электрических монорельсовых транспортных систем (навесных, подвесных, с колесным и электромагнитным опиранием и линейными тяговыми двигателями). Контактные подвески с жестким токопроводом используются для подвижного состава магистральных электрических железных дорог и передвижных кранов, применяемых на контейнерных терминалах для грузовых операций с вагонами-контейнеровозами магистральных железных дорог.
Для каждой из указанных сфер применения систем токосъема с жестким токопроводом характерны увеличение скоростей движения, значительный рост токовых нагрузок, появление новых типов электроподвижного состава, условия работы которого требуют совершенствования существующих и создания новых устройств, обеспечивающих надежную, экономичную и экологичную передачу электроэнергии на борт транспортного средства.
Анализ известных конструкций жестких токопроводов
Анализ существующих типов жестких токопроводов показывает, что для линий метрополитена наибольшее распространение получили контактные рельсы с нижней рабочей поверхностью. Изготавливают их из мягкой мартеновской стали высокой электропроводности с небольшим содержанием углерода.
Варианты использования контактных рельсов метрополитена представлены на рис. 1.
Основным недостатком контактного рельса является его высокая масса (45 - 52 кг/м), что затрудняет применение его для эстакадных видов транспорта. В связи с этим для монорельсовых и крановых систем используются облегченные токопроводы различных профилей (рис. 2).
© О.А. Сидоров Проблемы энергетики, 2004, № 11-12
Рис. 1. Варианты контактных рельсов: а - цельный стальной рельс; б - алюминиевый рельс со стальной пластиной (Россия); в - стальной рельс с алюминиевыми накладками (Германия); г - стальной рельс с верхней рабочей поверхностью (Швеция)
&
М
1
ж
и
11
к
л
м
б
е
а
д
г
з
Рис. 2. Токопроводы из легких профилей: а - д - открытые профили; е - вариант «Н88Т» (Япония); ж, з - закрытые профили коробчатого сечения; и - комбинированный вариант ВЭлНИИ; к, л, м - токопроводы крановых систем
Для скоростей движения до 500 км/ч используются объемные системы токосъема с охватывающими и охватываемыми токопроводами (рис. 3).
Рис. 3. Жесткие токопроводы объемного типа: а - вариант ОмГУПСа; б - трехфазная система полигона Пуэбло (США); в - трехфазный токопровод ВЭлНИИ; г - вариант «Н88Т» (Япония); д - токопровод с охлаждением (США)
Для монорельсовых систем с колесным опиранием используются токопроводы из стали, меди, бронзы и комбинированные, сечением от 400 до 2000 мм2. В качестве изоляционных элементов применяются профили троллеев с внутренними рабочими гранями (рис. 4).
Рис. 4. Токопроводы монорельсового транспорта с колесным опиранием: а - вариант «1п1ашт» (Швейцария); б - троллей с неразъемными вставками (Япония); в - троллей с разъемными вставками (США); г - троллей фирмы «Баг»
Для магистральных железных дорог на станционных зонах и в искусственных сооружениях (тоннелях) используются жесткие токопроводы в виде несущей пространственной балки с закрепленным на ней контактным проводом. В Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПС) в течение ряда лет ведутся исследования разборных контактных подвесок для тоннелей БАМа. Разработанная методика расчетов разборных тоннельных подвесок позволила создать несколько натурных образцов, которые прошли стендовые и готовятся к линейным испытаниям. Опыт, накопленный при исследовании разборных тоннельных подвесок, позволил спроектировать серию жестких подвесок для магистральных железных дорог.
Предлагаемые конструкции жестких токопроводов
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. 5) [1].
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 износ пластин токоприемников.
Температурная компенсация удлинений отрезков контактной шины 1 обеспечивается их поворотом в шарнирах 2 и 5.
Рис. 5. Токопровод с боковой рабочей поверхностью
Для улучшения работы беззазорного стыкового узла предложена конструкция клинового соединителя для жесткого токопровода (рис. 6) [2].
Рис. 6. Стыковой соединитель жесткого токопровода
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 в летний период, удлиняются отрезки контактных рельсов 2 и контактирующие поверхности указанных рельсов, и вставки 1 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. При срабатывании регулятора 4 нажатие прижимных пружин уменьшается, что обеспечивает перемещение вставки 1 без перекосов и заклиниваний.
При понижении температуры зимой изменяется направление силы, действующей на вставку 1, которая в результате нажатия прижимных пружин 3 перемещается к оси рельсов, поддерживая заданные усилия между контактирующими поверхностями.
Таким образом, вставка 1 обеспечивает более надежный контакт в стыковых соединениях в пределах всего диапазона колебаний температурных перемещений отрезков контактных рельсов, что исключает возможность
заклинивания и образования зазора в стыке, снижает износ контактных элементов токоприемника.
Для концевых отводов контактного рельса метрополитена предложена конструкция, схема которой представлена на рис. 7 [3].
А - А
Рис. 7. Схема концевого отвода, разработанного в ОмГУПСе: а - общий вид; б - сечение рельса
б
а
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.
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 прохождении 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 элементов (типа 8тС05).
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 H для стального контактного элемента токоприемника ТР-3 и установить начальное нажатие на 60 H меньше, что значительно снижает износ контактных элементов на прямых участках.
Выводы
1. Анализ существующих конструкций жестких токопроводов показал, что основным направлением совершенствования их конструкций является создание элементов и узлов, обеспечивающих надежный токосъем в зонах стыковых соединений и на участках концевых отводов.
2. Для обеспечения надежного токосъема в зонах температурных стыков могут быть рекомендованы разработанные в ОмГУПСе конструкции безударных стыковых соединений с устройствами компенсации температурных удлинений токопроводов.
3. Концевые отводы контактных рельсов метрополитена целесообразно оснастить предлагаемыми устройствами магнитного захвата башмака токоприемника, что позволит значительно повысить надежность токосъема в этих зонах, особенно при скоростях движения свыше 90 км/ч.
Summary
In the article variants of domestic and foreign designs rigid current-conducting wire subway and elevated transport are considered. Priority circuit decisions of temperature joints
both trailer taps current-conducting wire and the contact rails providing reliable current pick-off at high speeds of movement and significant temperature drops of air are offered.
Литература
1. А. с. 1180823 СССР, МКИ3 B 60 М 1/26. Контактная сеть / М.Ю. Ананьев,
О.А. Сидоров, А.В. Запрудский. - № 3737927/24-11; Опубл. 30.10.85;
Приоритет 08.05.84.
2. А. с. 1782794 СССР, МКИ3 B 60 М 1/30. Соединитель контактных рельсов /
О.А. Сидоров, В.П. Михеев, А.Г. Емельянов. - № 4916448/11; Опубл. 23.12.92;
Приоритет 05.03.91.
3. А. с. 1549812 СССР, МКИ3 B 60 М 1/30. Контактный рельс токосъема
транспортного средства / О.А. Сидоров, В.П. Михеев. - № 4429844/27-11;
Опубл. 15.03.90; Приоритет 23.05.88.
Поступила 01.09.2004
