Назначение и параметры токоприемников

Назначение и параметры  токоприёмников.

Токоприёмники служат для создания электрического соединения между

контактным проводом или  контактным рельсом и электрическими цепями ЭПС. Конструкция токоприёмников определяется расположением контактного провода или рельса относительно локомотива, током нагрузки, скоростью движения подвижного состава, характером изменения расстояния между основанием токоприёмника и контактным проводом, условиями управления подъемом и опусканием токоприёмников.

При верхнем или верхнем  и боковом контактных проводах применяют  пантографные, дуговые, штанговые и  боковые токоприёмники; при контактном рельсе — рельсовые токоприёмники. На магистральном электроподвижном составе применяют токоприёмники пантографного типа. На каждом электровозе установлено по два токоприёмника (кроме электровоза ЧС200, имеющего четыре токоприёмника); в работе обычно находится только один, задний по ходу токоприёмник. Второй токоприёмник является запасным, его поднимают в тех случаях, когда необходимо уменьшить искрение между полозом и контактным проводом при трогании или во время гололеда На электровозах ЧС200 одновременно в работе участвуют два токоприёмника. На моторном вагоне электропоезда устанавливают по одному токоприёмнику, так как эти вагоны работают по системе многих единиц и на их крышах смонтированы на высоковольтных изоляторах шины для соединения токоприёмников при параллельной работе.

Токоприёмник любого ЭПС должен обладать также малой парусностью, т.е. под воздействием сильного ветра не подниматься самопроизвольно и не вызывать опасного отжатия контактного провода. Необходимые аэродинамические характеристики зависят от формы полоза и профилей рам токоприёмника, формы крыши электровоза особенно ее лобовой части, которая определяет направление струй воздуха, омывающих токоприёмник. Важное значение имеет боковая устойчивость, или жесткость, токоприёмника.

 

Пантографные токоприёмники.

Пантограф (другое допустимое название – Пантографный токоприёмник) — токоприёмник с подъёмным механизмом в виде шарнирного многозвенника, обеспечивающим вертикальное перемещение полоза.

Пантограф служит для обеспечения  надёжного электрического соединения с контактным проводом контактной сети электроподвижного состава железных дорог (электровозы, электропоезда, электросекции), трамваев, а также вагонов метро (в тех системах, где напряжение на подвижной состав подается через  контактную сеть).

Название пантографа произошло  от похожего на него по форме устройства для копирования чертежей (от греч. παντ — всё, γραφ — писать).

Устройство  пантографа.

Пантограф имеет полоз, закреплённый на подвижных устройствах — каретках. Каретки упруго закреплены на верхних  рамах токоприёмника. Верхние рамы через систему рычагов шарнирно крепятся к нижней раме. Нижняя рама токоприёмника через изоляторы  жёстко закреплена на крыше.

Пантографные токоприёмники обеспечивают надежный контакт с контактным проводом при больших скоростях движения и токах, не требуют перестановки в случае изменения направления движения, удобны для дистанционного управления.

По способу действия привода  различают токоприёмники, опускающиеся и поднимающиеся при подаче сжатого воздуха в цилиндры привода. В первых пневматический привод действует против подъемных пружин и производит опускание токоприёмника. В опущенном состоянии токоприёмник удерживает специальная защелка, снабженная электромагнитным приводом. Подъем происходит при включении цепи управления привода защелки. Такой механизм позволяет произвести подъем токоприёмника при отсутствии на электровозе сжатого воздуха, не создает опасности для обслуживающего персонала, так как возможен самопроизвольный подъем токоприёмника при различных неисправностях. Поэтому преимущественно, а в СССР исключительно применяют токоприёмники, поднимающиеся при подаче сжатого воздуха в цилиндры привода.

Все части пантографа находятся  под полным напряжением контактной сети. Ток протекает и через  шарнирные соединения пантографа, для  уменьшения переходного сопротивления  в соединениях и электрокоррозии  все шарниры имеют гибкие медные шунты. Для подъёма и опускания  пантографа на трамваях используется механический привод (например, с верёвкой в кабину), на электропоездах и электровозах — пневматический.

На электровозах пантографы устанавливаются на каждой секции, но не менее двух на электровоз, то есть на односекционных электровозах —  два (для избыточности; исключение составляют лишь некоторые малые электровозы, на крыше которых трудно разместить два пантографа). На электровозах постоянного  тока может устанавливаться по два пантографа на секцию, потому что более низкое, чем при переменном токе, напряжение в контактной сети обуславливает более высокие токи при трогании и разгоне. Поэтому при плохом контакте между контактным проводом и полозом токоприёмника может возникать электрическая дуга, что создаёт опасность пережога контактного провода.

На электропоездах и электросекциях устанавливается по одному пантографу на моторном вагоне каждой секции. Трамваи  обычно имеют по одному токоприёмнику  на моторный вагон (хотя встречаются  исключения, например вагон типа 71-88Г).

Сменные вставки полоза токоприёмника.

Существенное влияние  на качество токосъема оказывает  также и материал сменных вставок  полоза. Вставки изготовляют из материала  с малым удельным сопротивлением, стойкого к дугообразованию, обладающего  достаточно высокой износостойкостью и в то же время обеспечивающего  минимальный износ контактного  провода. Широко применяемые за рубежом  и в СССР медные контактные накладки вызывают интенсивный износ контактного  провода и быстро изнашиваются сами. В СССР медные накладки первоначально применяли в сочетании с консистентной графитовой смазкой, а с 1960 г. начали использовать более совершенную твердую графитовую смазку. В последние годы расширяется применение контактных вставок из так называемых самосмазывающихся материалов — угольные вставки, металлокерамические на железной или медной основе.

Угольные вставки изготовляют  из угольно-графитовых обожжённых композиций. Срок службы угольных вставок превосходит срок службы медных накладок. Однако угольные вставки имеют относительно высокое удельное сопротивление. Это вызывает увеличение потерь энергии в контакте и повышает опасность пережога контактного провода при коротких замыканиях на ЭПС во время стоянки, когда происходит местный нагрев провода. Поэтому угольные вставки применяют лишь при надежной и достаточно быстродействующей защите контактной сети от токов КЗ. По той же причине затруднено применение угольных вставок на пассажирских электровозах постоянного тока при питании от токоприёмника цепей электроотопления поезда, когда во время стоянки неподвижный контакт нагружается током 200—300 А и более.

В Японии широко применяют  металлокерамические вставки на медной основе, которые также являются самосмазывающимися и существенно  снижают износ контактного провода, хотя и несколько уступают в этом угольным.

Вставки из самосмазывающегося материала полируют контактную поверхность  провода, что и обеспечивает наименьший износ контактного провода, увеличивая срок его службы в несколько раз, и снижают уровень радиопомех. Существенным преимуществом угольных вставок является уменьшение на 1% ежегодных  потерь энергии и резкое снижение помех радиоприему, вызываемых работой  токоприёмников.

Медные накладки нарушают полировку провода, вызывая повышенный износ провода и угольных или  металлокерамических вставок при  совместной работе на одном участке ЭПС с разными вставками. Поэтому эксплуатация ЭПС с медными накладками и вставками из самосмазывающихся материалов не допускается Угольные вставки можно эксплуатировать совместно с металлокерамическими. Это позволяет применить металлокерамические вставки на токоприёмниках пассажирских электровозов с тем, чтобы исключить возможность пережога провода во время их стоянки, и угольные вставки на токоприёмниках грузовых электровозов и электропоездов.

Полозы  и каретки.

Полозы чаще всего изготовляют  из оцинкованной листовой стали толщиной 1,5 мм. Длина рабочей части полоза принята равной 1270 мм с учетом того, что контактный провод для равномерного износа накладок или вставок по их длине подвешивают зигзагообразно Полоз имеет по концам небольшое  закругление для улучшения прохождения  воздушных стрелок и крестовин  контактной сети. Чтобы не допустить  захлестывания полозов за контактный провод при прохождении поездом  стрелок и крестовин контактной сети, концы полозов загибают книзу (рис 157) Общая длина полоза обычно не превышает 2260 мм.

Каретки служат для улучшения  токосъема при проходе жестких  точек и неровностей контактной сети, так как уменьшают в эти  моменты влияние массы подвижных  рам на динамическую составляющую контактного  нажатия. Каретки имеют значительный вертикальный ход (до 55 мм) и обеспечивают постоянство нажатия и упругость полоза в горизонтальном направлении. В двухполозных токоприёмниках каретки обеспечивают также равномерное распределение нажатия между полозами.

Время подъёма подвижной системы до максимальной рабочей высоты обычно составляет 7–10 с, опускания — 3–6 с. Необходимо, чтобы полоз быстро отрывался от контактного провода и затем подвижные рамы спокойно опускались на амортизаторы. Также плавно (без удара) полоз должен приближаться к контактному проводу. Это обеспечивается автоматическим регулированием скорости подачи сжатого воздуха в цилиндр привода и выпуска его в атмосферу редукционными устройствами, чем и регулируется скорость подъема и опускания подвижной системы. Чтобы исключить обледенение подвижных рам, зимой на них наносят смазку ЦНИИ-КЗ.

Практика  использования пантографа

На электровозах, имеющих  два или более пантографа, при  движении обычно поднимают задний по ходу пантограф. Это может быть связано  с несколькими соображениями:

При поломке пантографа он падает назад по ходу движения. Пантограф  обычно расположен на крыше локомотива около кабины управления, в то время  как на крыше над машинным отделением обычно расположено крышевое оборудование (детали системы охлаждения, реостаты и пр.). При падении переднего  по ходу движения пантографа назад  он может повредить крышевое оборудование, что может привести к потере локомотивом  возможности движения своим ходом. В то же время задний по ходу пантограф  при поломке падает на крышу нерабочей  кабины управления, где обычно нет  жизненно важного оборудования.

Если машинист при движении заметит неисправность контактной сети, угрожающую поломкой пантографа (например, обрыв струны подвески контактного  провода), у него будет больше времени  на принятие мер к опусканию заднего  пантографа, чем переднего.

Локомотив при движении создаёт  перед собой зону сжатия воздуха, из которой воздух истекает в стороны  и вверх. Воздух, движущийся вверх, приподнимает контактный провод, и за счёт этого  для переднего пантографа создаются  условия контакта хуже, чем для  заднего. Значение этого фактора  возрастает с увеличением скорости движения.

На многосекционных локомотивах  и в мотор-вагонных поездах нет  необходимости поднимать пантограф  на каждой секции или моторном вагоне, так как секции соединены между  собой высоковольтной шиной, проходящей по крыше или по сцепке. Поэтому  поднимают лишь столько пантографов, сколько необходимо для обеспечения  нормального токосъёма и безопасности контактного провода от пережога.

На мощных электровозах постоянного  тока, потребляющих большой ток и  имеющих более одного токоприёмника  на секцию (например, ЧС200), во время  наибольшего энергопотребления (при  трогании и разгоне) могут быть подняты  все пантографы для обеспечения  большего количества точек токосъёма. После разгона передние по ходу токоприёмники  опускают.

Полупантограф.

Полупантограф (название в  английском языке — single arm pantograph) или  асимметричный токоприёмник — внешне выглядит как половина обычного пантографа. Преимущества полупантографа перед обычным пантографом таковы:

• Меньшая масса.
• Колебания пантографа при движении меньше раскачивают элементы контактной сети, что обеспечивает лучший прижим полоза токоприёмника к контактному проводу и, таким образом, лучший токосъём. Это особенно важно при высоких скоростях движения.
• Требуется меньше места на крыше, что облегчает размещение крышевого оборудования. Некоторые виды электрического подвижного состава, рассчитанные на работу с несколькими системами электропитания (многосистемные), имеют разные пантографы для разных родов тока.
• Меньшая материалоёмкость.
• Требуется меньшая мощность привода для подъёма-опускания.

Фотография полупантографа.

 

Однако есть у полупантографа и недостаток — меньшая прочность. Известны случаи, когда хозяйства, неспособные  поддерживать подвижной состав и  контактную сеть в надлежащем состоянии, переоборудовали полупантографы в  пантографы.

 

Токоприёмник для контактного рельса.

Токоприёмник для контактного рельса – предназначен для осуществления подвижной электрической связи между третьим контактным рельсом и электрическим оборудованием вагона. Токоприёмники для контактного рельса в основном применяются на метрополитенах. Существуют три вида таких токоприёмников: для верхнего, бокового и нижнего токосъёмов.