Глава 8 токоприемники

8.1 Условия работы токоприемников

Токоприемники — устройства для электрического соединения неподвижной контактной сети с электрическими цепями э. и. с. как при его движении, так и в неподвижном состоянии (в последнем случае со значительным ограничением токовой нагрузки). Конструкция токоприемников и их параметры зависят от расположения контактного провода или рельса относительно локомотива. Большое влияние на конструкцию оказывают также скорость движения и токовые нагрузки.

Наиболее часто, особенно на железных дорогах, контактный провод располагают над рельсовыми путями. Расположение контактного провода сбоку от пути применяют только на промышленном транспорте при массовой погрузке и разгрузке вагонов сверху (например, открытые разработки полезных ископаемых). Контактный рельс используют при сравнительно низких напряжениях (до Uc < 1500 В) в условиях, когда он может быть огражден, например на метрополитенах.

При верхнем расположении контактного провода применяют токоприемники различных видов. Так, для троллейбусов используют штанговые токоприемники, допускающие отклонения экипажа до 4 м от оси контактной сети. Для трамваев и некоторых видов э. п. с. промышленного транспорта ранее широко применяли дуговые токоприемники, допускающие скорости не более 50—60 км/ч и токи не более 200—250 А.

Необходимо, чтобы токоприемники обеспечивали устойчивый контакт с проводом. Поэтому сила FK нажатия полоза на провод должна быть достаточно большой, однако ее нельзя увеличивать выше определенного предела, так как большая сила FK приводит к отжатию контактного провода, его повышенному износу, износу контактных деталей токоприемника. При прочих равных условиях износ зависит от силы трения в месте контакта: , где — коэффициент трения. При медном проводе и контактных деталях токоприемника может превышать 0,16—0,20, а при угольно-графитных вставках полоза составляет 0,10 — 0,15.

Сила трения вызывает момент, опрокидывающий токоприемник. Увеличение силы , а следовательно, и приводит к необходимости повышать прочность и особенно жесткость всей шарнирной конструкции токоприемника. Активное (при подъеме) статическое нажатие на контактный провод установлено для токоприемников серии Т не менее 100 Н и серии Л не менее 60 Н. Эти силы вызывают подъем токоприемника. Пассивное нажатие (при опускании токоприемника) должно быть соответственно не более 130 и 90 Н. Поперечная жесткость токоприемников обоих типов не менее 17 Н/мм.

Установленные контактные нажатия очень малы для токов, снимаемых токоприемниками. При обычно практикуемой одиночной работе токоприемника наибольший ток, А,

,

где — номинальная мощность локомотива, кВт; — коэффициент эксплуатационной перегрузки локомотива.

При номинальной мощности современных локомотивов, приходящейся на один работающий токоприемник, 5000 — 6000 кВт и ток кА для электровоза постоянного тока. Между проводом и токоприемником при небольших скоростях и металлических накладках полоза площадь контакта не более 1,0—1,4 см² на один полоз. Наибольшая плотность тока

где — число полозов токоприемника; обычно у токоприемников серии Л и - при серии Т.

В режиме номинальной нагрузки

.

Для рассмотренных условий при токоприемниках серии А/см² и А/см². Полученные плотности тока избыточны для любых стационарных контактных со¬единений без интенсивного принудительного охлаждения. Плотно¬сти тока заметно ниже при двух контактных проводах. В идеальном случае общая площадь соприкосновения может быть увеличена вдвое и вдвое снизятся плотности тока: А/см² и А/см². Но даже эти плотности тока очень велики и значительно превышают расчетные для обычных контактных сое¬динений. К тому же токи между несколькими контактными поверхностями распределяются неравномерно, т. е. местные плотности тока еще выше.

Давление на контактный провод, Н/см², . При токоприемнике серии Т и одном контактном проводе Н/см² и при двух контактных проводах Н/см². Мощность удельных нагревающих потерь Рку для поверхностного контакта, Вт/см²,

Для контакта медь — медь в чистом, неокисленном состоянии (см. табл. 2.6), для поверхностных контактов = 1. При двух контактных проводах и токоприемнике серии Т мощность удельных потерь в режиме номинальной нагрузки Вт/см² и наибольшей нагрузки Вт/см². Такие удельные потери недопустимы для стационарных контактов. Они существенно превышают удельные потери в различных электротехнических устройствах в случае их принудительного воздушного охлаждения. Перемещение полоза по проводу улучшает условия теплорассеяния и оплавления контактного провода обычно не происходит. Однако температура в месте контакта может превышать 250—270 °С, т. е. температуру отжига твердотянутой меди провода. При этом повышается пластичность меди и снижается ее прочность. На рабочей поверхности провода возникает «наволакивание» меди, что делает поверхность негладкой. Это особенно заметно при переходе с медных накладок на угольные.

Повышенные плотности тока в контакте токоприемника и создаваемые ими избыточные мощности потерь заставляют ограничивать токи, допустимые при стоянке локомотива. В этом случае ток, А,

.

где — ток первой маневровой позиции локомотива.

Коэффициент относительной мощности вспомогательных устройств

где — номинальная суммарная мощность вспомогательных устройств, включая и вспомогательные машины на электровозах постоянного тока обычно , переменного тока .

Обычно . Предусмотренная разница между значениями для зимних и летних условий вызвана тем, что зимой появляется дополнительная нагрузка от отопления, а лучшее охлаждение контакта токоприемника позволяет несколько увеличить ток.

Высокие нагрузки современных токоприемников при стремлении снижать их массу приводят к возникновению заметной мощности потерь, а следовательно, и к превышениям температуры их деталей.

Допустимые превышения температуры для различных частей токоприемников, °С:

Контактные пластины и вставки:
медные	100
угольные	180
металлокерамические на основе меди	100
то же на основе железа	120
Контактный провод на месте стоянки э. п. с:
летом при температуре воздуха t<40°С	75
зимой t<-10 °С	125
Гибкие медные соединения	90
Токоведущие части, не имеющие контактных соединений	130

По условиям эксплуатации токоприемники должны обладать высокой собственной скоростью, т. е. малыми временами подъема и опускания. Эта скорость зависит от скорости движения. Для токоприемников обычных типов установлено при номинальном давлении сжатого воздуха привода время подъема не более 7—10 с и время опускания не более 3,5—6,0 с.