7.2 Токосъем
Токоприемники электроподвижного состава (ЭПС)- это тяговые электрические аппараты, предназначенные для создания электрического контакта с контактной подвеской (контактным проводом). Конструкция токоприемников и их характеристики определяются мощностью и скоростью ЭПС, габаритами подвижного состава и приближения строений, расположением контактных проводов в плане и по высоте. Токоприемники должны обеспечивать надежный (без повреждений), экономичный (с минимальным износом контактирующих элементов) и экологический токосъем. По величине токовой нагрузки их делят на два типа: тяжелый (Т) и легкий (Л). Комплексы конструктивных элементов, входящих в состав контактных токоприемников, подразделяются на базовые, альтернативные и дополнительные (рисунок 7.4).
В базовый комплекс входят элементы, необходимые для участков, электрифицированных как на постоянном, так и на переменном токе: система подвижных рам; подъемно-опускающий механизм (привод); основание и управляющие системы.
К альтернативным относят специфические элементы для постоянного или переменного тока, а так же для электровозов или электропоездов: полозы; каретки; контактирующие, токопроводящие и изолирующие элементы. Комплексы базовых и альтернативных элементов содержат все токоприемники отечественного ЭПС.
Дополнительные элементы используют для повышения эксплуатационных свойств токоприемников: скорости, надежности, экономичности и экологичности.
На российских железных дорогах применяют токоприемники тяжелого и легкого типа магистрального ЭПС (рисунок 7.5, а, б): а - пантограф (токоприемник тяжелого типа Т-5); б - симметричный полупантограф (токоприемник легкого типа Л-13у, Л-14м). Для повышенных скоростей движения используют специальные токоприемники: токоприемники ВНИИЖТ Сп-6М пантографного типа с параллелограммным подвижным основанием (рисунок 7.5, в); штанговый токоприемник ОмГУПС с резинокордным упругим элементом в подъемно-опускающем механизме (рисунок 7.5, г); ассиметричный полупантограф ВЭлНИИ и фирмы DSA-350 с аналогичным приводом (рисунок 7.5, д).
Рисунок 7.4- Классификация элементов токоприемников
К основным узлам токоприемников относятся: контактные элементы (медные, металлокерамические, угольные); несущие конструкции полозов (рамные или сплошные) с рогами; каретки полозов; системы подвижных рам; подъемные упругие элементы; демпфирующее устройство; пневматический цилиндр с опускающей пружиной и рукавом; основание с изоляторами; управляющие элементы (клапаны); аэродинамическое устройство; нижняя система рам и авторегулятор ее высоты (рисунок 7.5).
Рисунок 7.5 - Схемы токоприемников ЭПС
Система подвижных рам предназначена для обеспечения надежного контакта полозов (лыж) токоприемника с контактными проводами при изменении высоты последних в заданных пределах. Для магистральных железных дорог эта высота составляет 5550-6900 мм. Диапазон рабочих высот токоприемника (400-1900 мм) определяет размеры его конструкции.
Основные схемы систем подвижных рам токоприемников могут быть классифицированы следующим образом: пантографы; полупантографы симметричные; полупантографы асимметричные; штанговые токоприемники и токоприемники с подвижным основанием.
В России наиболее распространены, и длительное время эксплуатируются ромбические пантографы типа ДЖ-5, П-1, П-3, Т-5, 10РР, 17РР, 2SLS-1 и др. (рисунок 7.6, а, б). В Японии для экономии места на крыше ЭПС применяют Х-образные (рисунок 7.6, в) пантографы. Главные валы пантографа соединяют между собой тягой антипараллеллграмма, обеспечивающей их синхронный поворот, и как следствие, вертикальное перемещение верхних шарниров.
Конструкция симметричных полупантографов (рисунок 7.6, г) дает возможность уменьшить габариты основания токоприемника и его металлоемкость. Однако при этом появляется повышенная нагрузка на подшипники средних шарниров. К таким полупантографам относятся токоприемники типа П-7, Л-13У, Л-14М и др.
Асимметричные полупантографы нашли широкое применение за рубежом. По сравнению с симметричными, они обладают меньшей массой и габаритами. Такие токоприемники активно внедряет французская фирма «Faiveley». В России разработаны токоприемники такого типа ПН-2 для электровоза ВЛ-41, Тас-11 для ЭП-200, ТП-250 для поезда «Сокол» и СВАРЗ- для трамвая (рисунок 7.6, д). Они эффективны в случае применения высокопрочных материалов и точной технологии.
Штанговые рамы токоприемников применяют для троллейбусов, трамваев, метрополитена. Они вновь привлекли к себе внимание в связи со стремление снизить приведенную массу токоприемника, сделать его малошумным, а рамы - статически определимыми. К недостаткам трамвайной штанги (бугеля) относится поворот контактной вставки вокруг своей оси при изменении высоты подъема. Более рациональным является вариант с цепной или тросовой передачей (рисунок 7.6, ж), применяемый для штанговых токоприемников, разработанных в ОмГУПСе (ТС-3М, 5М70). Они представляют собой статически определимую конструкцию, не боящуюся перекосов, с минимальными трением и массой.
Рисунок 7.6- Основные схемы систем подвижных рам токоприемников
Токоприемники с подвижным основанием (рисунок 7.6, е) возникли в связи со стремлением снизить приведенную массу так, чтобы обеспечить работу при скоростях свыше 55 м/с (200 км/ч). Высота подвижного основания поддерживается специальным авторегулирующим устройством, срабатывающим, например, перед входом в тоннель со сниженными контактными проводами.
Испытания активно регулируемого токоприемника
В конце июля 2003 г. компания DB Systemtechnik, входящая в холдинг железных дорог Германии (DBAG), провела первые в мире испытания двух опытных активно регулируемых токоприемников на модернизированной высокоскоростной линии Донаувёрт — Аугсбург. Взаимодействуя с контактной подвеской типа Re 200, рассчитанной на максимальную скорость движения 200 км/ч, новые токоприемники позволили развить скорость до 230 км/ч.
Разработка регулируемого токоприемника, выполненная совместно с компанией Bombardier Transportation, является частью большого пакета мероприятий, который DBAG разработали для системы токоприемник — контактная сеть.
Особого внимания заслуживает тема повреждений контактной подвески и токоприемников, причем не столько из-за значительных расходов на ремонтные работы, сколько из-за убытков, связанных с перерывами в движении поездов. Согласно статистике отказов, в компании DB Reise&Touristik в среднем в течение года на единицу электроподвижного состава приходится 20 таких повреждений, в DB Regio — 5, а в DB Cargo на 51 локомотив приходится два повреждения. Такая большая разница непосредственно зависит от разных диапазонов скорости движения и косвенно от величины годового пробега, например в дальних высокоскоростных пассажирских перевозках.
Мероприятия, направленные на уменьшение числа указанных повреждений, в наибольшей степени важны в высокоскоростном движении, так как там объем повреждений всегда значительно больше из-за увеличенного тормозного пути.
При разработке однорычажного токоприемника с активным регулированием (ASP) руководствовались следующими целями:
обеспечить прохождение поездов под контактными подвесками со скоростью, превышающей их проектный скоростной предел;
уменьшить износ контактного провода и контактных пластин токоприемников;
снизить уровень шума при движении в высокоскоростном диапазоне.
До сих пор считали, что качественный контакт между проводом и пластинами токоприемника обеспечивается при условии, что величина касательной силы, действующей между пластиной и полозом токоприемника, лежит в диапазоне 40 – 200 Н. Сейчас на основе результатов анализа ускорений удалось разработать методы непосредственной оценки усилия, действующего между пластиной и контактным проводом. Измерения показали, что эта сила должна лежать в диапазоне 0 – 250 Н, причем для точного определения нижнего предела нужны углубленные исследования.
Учитывая эти данные и динамику системы токоприемник — контактный провод при движении с двумя поднятыми токоприемниками, новые подвески разрабатывают в расчете на определенные максимальные скорости движения. В связи с этим для повышения скорости движения с целью уменьшения времени хода поездов и увеличения пропускной способности участков считается необходимым модернизировать контактную подвеску или даже заменить ее другой, обладающей иными механическими параметрами. Это объясняется требованием сохранения на заданном уровне силы нажатия в контакте и величины отжатия провода.
При использовании токоприемника ASP увеличить скорость движения можно будет без изменения конструкции контактной подвески, используя систему регулирования, которая позволяет компенсировать динамические колебания в контакте и поддерживать величину силы нажатия токоприемника на контактный провод постоянной.
Главными элементами системы активного регулирования токоприемника являются датчики, контролирующие изменения силы нажатия, и исполнительные компоненты, быстро восстанавливающие заданную величину этой силы. Система датчиков токоприемника может также использоваться для дистанционной диагностики.
Применение нового токоприемника позволит, например, отказаться от планировавшейся модернизации контактной сети на линии Гамбург — Берлин. Следующей задачей будет повышение скорости движения до 310 км/ч на первых высокоскоростных линиях Ганновер — Вюрцбург и Мангейм — Штутгарт, контактная подвеска которых (Re 250) рассчитана на максимальную скорость 280 км/ч. Увеличение скорости на 30 км/ч было задано компанией DB Netz с учетом других инфраструктурных факторов и реализовано при испытаниях на линии Донаувёрт — Аугсбург. При этом разработчики отмечают, что возможности системы регулирования ASP еще не исчерпаны.
Для строящихся и реконструируемых железнодорожных линий законодательно установленный уровень излучаемого шума в ночное время не должен превышать 49 дБ(А). На сети DBAG это требование выполняют, а в ряде случаев и обеспечивают, в основном за счет строительных мероприятий, более значительное снижение уровня шума — на 10 дБ(А) ниже установленного предела.
При движении поездов со скоростью выше 280 км/ч по участкам с шумозащитными стенками основным источником излучаемого шума являются токоприемники. Система ASP обеспечивает понижение уровня шума, что в случае внедрения новых токоприемников позволит отказаться от ряда других дорогостоящих шумозащитных мероприятий. Измерительные поездки с целью исследования акустических характеристик токоприемника ASP планировались на декабрь 2004 г. на высокоскоростной линии Кёльн — Рейн/Майн.
Новый токоприемник обладает улучшенными аэродинамическими характеристиками (рисунок 7.4), что способствует снижению затрат энергии на тягу. Его сопротивление воздуху на треть ниже, чем у современных токоприемников высокоскоростного подвижного состава. При движении со скоростью 400 км/ч такой токоприемник способен обеспечить 10 %-ную экономию тяговой энергии.
|
|
Рисунок 7.7 - Каретка активно регулируемого токоприемника
В процессе дальнейшего совершенствования токоприемника ASP использовались методы математического моделирования, проводились исследования опытного образца на стенде компании DB Systemtechnik, а также испытания на скорость 300 км/ч в аэродинамической трубе автомобильного завода в Ингольштадте.
Первый этап испытаний проводился в 2002 г. со скоростью до 200 км/ч, после чего в 2003 г. был реализован второй этап. Испытания проходили на участке Донаувёрт — Габлинген длиной 30 км, оборудованном подвеской Re 200 с контактным проводом, имевшим срок службы около 20 лет. Измерительный поезд состоял из двух электровозов серий 103 и 120, принадлежащих компании DB Systemtechnik, измерительного вагона и семи пассажирских вагонов для междугородных поездов. Таким образом, расстояние между двумя токоприемниками ASP, размещенными на электровозах в голове и хвосте поезда, составило 250 м. Во время поездок на одном из электровозов с помощью лазерно-оптической системы проводили измерения высоты расположения и зигзага контактного провода. Полученные данные были необходимы для последующего сравнения с результатами проведенного ранее исследования этих параметров в подвеске, находившейся в состоянии покоя при прохождении измерительного поезда на тепловозной тяге. Это сравнение проводилось для точного определения величины отжатия контактного провода.
Измерительные поездки последнего этапа испытаний показали, что допустимые параметры взаимодействия токоприемника с контактной подвеской выдерживаются. Для облегчения процесса замены токоприемников существующего подвижного состава механические и другие элементы выполнены унифицированными. Железнодорожные компании многих стран проявляют интерес к новому токоприемнику.
Вывод: рассмотрели основные виды и конструкцию контактных подвесок и токоприемников.