токосъемное устройство

Формула изобретения

1. Токосъемное устройство, содержащее основание с установленным на нем нижним валом, верхний вал, который связан стойками с нижним валом, подъемные пружины и установленную на верхний вал каретку токосъемных вставок, отличающееся тем, что оно содержит установленный свободно на нижний вал полый вал с двуплечими рычагами подъема, которые одним концом соединены с подъемными пружинами, а вторым концом - со стойками посредством гибких тяг подъема, также на верхнем валу жестко установлены двуплечие рычаги каретки токосъемных вставок, свободные концы которых соединены с тягами синхронизации.

2. Токосъемное устройство по п.1, отличающееся тем, что двуплечие рычаги подъема выполнены с возможностью изменения радиуса присоединения подъемной пружины к нижнему валу, полый вал выполнен из двух половинок с фланцевым соединением с возможностью изменения положения относительно друг друга.

3. Токосъемное устройство по п.1, отличающееся тем, что стойки связаны с нижним валом жестко, а с верхним валом - шарнирно, а гибкие тяги подъема выполнены с возможностью регулирования своей длины.

4. Токосъемное устройство по п.1, отличающееся тем, что тяги синхронизации, соединенные с двуплечими рычагами каретки, свободными концами соединены с основанием токосъемного устройства и выполнены с возможностью регулирования своей длины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрооборудованию транспортных средств с электротягой, а именно к токосъемным устройствам, и может быть использовано на наземном электротранспорте.

Известно устройство токосъема (см. авт. св-во СССР 1440766 от 22.10.85, МКИ B 60 L 56/12, опубл. 30.11.88, бюл. 44, авторы: Г.С.Мигиренко и др. "Токоприемник подвижного состава"), которое содержит арочную раму с контактной вставкой, узел крепления рамы и связанную с ней тягу, другим концом закрепленную в узле изменения тяги.

Однако неизбежные неровности, встречающиеся при движении транспорта в зоне контакта токоприемника с контактным проводом, приводят к изменению высоты контактного провода. Это вызывает изгиб стоек рамы, который при зацеплении подъемного механизма за препятствие приводит к значительному повышению нагрузки на все элементы конструкции, и, как следствие, узлы и элементы устройства должны иметь повышенную прочность. Также недостатком конструкции является то, что основные элементы конструкции работают на изгиб, что требует повышения прочности узлов и деталей за счет увеличения массы устройства в целом. С другой стороны известное устройство не обеспечивает постоянство давления токосъемных вставок на контактную сеть, что ведет к повышенному износу трущихся поверхностей в зоне контакта токосъема.

Также известно техническое решение (см. авт. св-во СССР 1632823 от 15.02.89, МКИ B 60 L 5/26, опубл. 07.03.91, бюл. 9, авторы: Е.С.Гапчинский и др. "Токоприемник"). Данное устройство содержит основание, связанные с ним основные подъемные пружины, систему основных и дополнительных рычагов, связанных между собой и с кареткой с токосъемными вставками.

Это позволяет отработать ударные воздействия при движении подвижной единицы в экстремальных условиях путем изменения длины рычагов, когда изоляторы, на которых крепится рудничная контактная сеть, по каким-либо причинам теряют связь со своей опорой и повисают на контактном проводе.

Однако конструктивно это техническое решение достаточно сложно. При движении транспортной единицы все элементы этого устройства находятся в относительном перемещении друг относительно друга, и, как следствие, значительны инерционные силы. Это требует постоянного внимания к смазке отдельных узлов механизма. При этом в условиях эксплуатации городского электротранспорта такое устройство обладает повышенными массогабаритными показателями, а также не может обеспечить постоянство давления на контактную сеть.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является токоприемник электроподвижного состава железных дорог (см. авт. св-во СССР 284013 от 21.08.1969, МКП B 60 L 5/24, опубл. 14.10.1970, бюл. 32, авторы: В.П.Михеев, И. А. Беляев). Данный токоприемник электроподвижного состава содержит основание, установленные на нем нижний и верхний валы, которые связаны стойками, подъемные пружины и насаженный на верхний вал каретку токосъемных вставок. Отмеченные недостатки для вышеприведенных токосъемных устройств характерны и для рассматриваемого токоприемника.

В данной конструкции токоприемника основные стойки рычажной системы, установленные на нижнем валу, а также штанги верхнего главного вала работают на изгиб, что требует увеличения прочности конструкции, ведущей в свою очередь к увеличению приведенной массы конструкции и к снижению эффективности токоприемника.

Цель изобретения - повышение эффективности подвески токосъемного устройства.

Указанная цель достигается тем, что токосъемное устройство содержит установленный свободно на нижний вал полый вал с двуплечими рычагами подъема, которые одним концом соединены с подъемными пружинами, а вторым концом со стойками посредством гибких тяг подъема, также на верхнем валу жестко установлены двуплечие рычаги каретки токосъемных вставок, свободные концы которых соединены тягами синхронизации.

Причем двуплечие рычаги подъема выполнены с возможностью изменения радиуса присоединения подъемной пружины к нижнему валу, полый вал выполнен из двух половинок с фланцевым соединением с возможностью изменения положения друг относительно друга.

При этом стойки связаны с нижним валом жестко, а с верхним валом шарнирно, а гибкие тяги подъема выполнены с возможностью регулирования своей длины.

Тяги синхронизации, соединенные с двуплечими рычагами каретки, свободными концами соединены с основанием токосъемного устройства и выполнены с возможностью регулирования своей длины.

Основание (рама) выполнено в виде жесткого прямоугольного каркаса. Стойки, расположенные радиально, выполнены из тонкостенных труб, одноименные концы которых соединены между собой шарнирно посредством верхнего и нижнего валов. В верхних углах подъемного механизма на радиальных стойках закреплены верхние концы гибких тяг соответственно подъема и жесткости. Тяги жесткости диагонально закреплены винтовым соединением на нижнем конце на соответствующих радиальных стойках, что позволяет обеспечить жесткость конструкции в разных плоскостях, регулировать натяжение тяг при их удлинении и настройке механизма подвески. Также позволяет обеспечить одинаковые величины одноименных углов его и тем самым ликвидировать возможные перекосы конструкции.

Нижний вал шарнирно установлен на основании. Кроме того, на нижнем валу свободно насажены при помощи полого вала двуплечие рычаги подъема, которые конструктивно выполнены с возможностью изменения радиуса присоединения подъемной пружины относительно оси нижнего вала, что позволяет изменить величину максимального значения момента сил пружины при одном и том же удлинении пружины или же добиться одинаковых упругих характеристик подвески при разных значениях жесткости пружины. Другой конец каждой пружины шарнирно укреплен на противоположной поперечине основания. Изменяя величину максимального момента сил пружины, можно добиться увеличения давления на контактную сеть, сохраняя при этом постоянство давления во всем рабочем диапазоне, что позволяет повышать эффективность токоприемника при эксплуатации в разных условиях (летом давление на контактную сеть меньше, чем зимой).

Конструктивное исполнение двуплечих рычагов с возможностью изменения радиуса приложения сил подъемной пружины и угла установки относительно тяги подъема позволяет подобрать такое соотношение конструктивно-кинематических параметров подвески, что может обеспечить постоянство давления токосъемных вставок на контактную сеть независимо от высоты его расположения над уровнем головки рельсов. Благодаря постоянству давления токосъемных вставок на контактную сеть обеспечиваем долговечность токосъемных вставок и токопровода, что также повышает эффективность токоприемника.

Двуплечие рычаги подъема соединены между собой посредством полого вала и фланцевого соединения. При этом полые валы установлены так, что исключается возможность осевого перемещения двуплечих рычагов подъема. На двуплечем рычаге подъема вмонтирован винтовой ограничитель подъема. Это позволяет отрегулировать и зафиксировать величину верхнего хода токоприемника.

Кроме того, двуплечие рычаги подъема, установленные на нижнем валу, являются завершением полых валов, свободно насаженных на нижний вал и скрепленных между собой фланцевым соединением. При этом фланцевое соединение выполнено в виде дисков с отверстиями и с возможностью поворота друг относительно друга. Нижний вал выполняет две функции: первая является как основным несущим и соединяющим элементом для стоек, а вторая - опорой для двуплечих рычагов подъема. Это позволяет уменьшить металлоемкость и использовать одну пару опор взамен двух пар.

Нижние концы тяг подъема закреплены с возможностью изменения длины на двуплечем рычаге подъема. За счет изменения длины подъемной тяги изменяют первоначальный угол между осями тяги подъема и осью рычага двуплечего рычага подъема. Изменяя угол между осью тяги подъема и рычагом подъема, настраиваем упругую характеристику подвески и добиваемся постоянства давления на контактную сеть.

Причем фланцевое соединение жестко связано с двуплечими рычагами подъема и выполнено в виде полых валов с дисками и с возможностью поворота друг относительно друга, что позволяет устанавливать двуплечие рычаги подъема, связанные с подъемными тягами, под различными углами по отношению к последним. Жесткая связь полых валов двуплечих рычагов подъема посредством фланцевого соединения обеспечивает одновременный синхронный подъем и опускание радиальных стоек независимо от возникающих усилий в подъемных пружинах. Усилие натяжения в подъемных пружинах может быть разным вследствие разной жесткости пружин, что вызвано технологическими особенностями изготовления. Также надо отметить, что рассмотренные конструктивные особенности механизма подвески токоприемника позволяют использовать со значительном перепадом жесткости пружин (ГОСТы допускают не более 10%, а предлагаемое устройство теоретически не ограничивает), даже с разными конструктивными параметрами. При установке пружин с разной жесткостью их радиус присоединения к двуплечим рычагам подъема может быть разным или одинаковым. Для пружин с большей жесткостью рекомендуется принимать меньший радиус присоединения на двуплечем рычаге подъема. Данная особенность конструкции с учетом возможности изменения длины подъемных канатов и радиуса приложения силы пружин к двуплечему рычагу подъема позволяет настроить механизм подвески на различные варианты упругой характеристики за счет разной степени удлинения разных подъемных пружин. Т. е. возможно получить упругую характеристику с постоянным, возрастающим, падающим, переменным давлением токосъемных вставок на контактную сеть в зависимости от изменения ее высоты расположения.

Благодаря расположению подъемных тяг и конструктивно-кинематических особенностей подвески, исполнению двуплечих рычагов подъема обеспечивается минимум массы токоприемника, что поясняется следующими особенностями. Во всех известных механизмах подвески токоприемника основные несущие стойки (подъемные рамы) работают на изгиб. Как известно, материалы выдерживают большие нагрузки не на изгиб, а на растяжение или сжатие. В предлагаемом устройстве подвески основные несущие стойки выполнены в виде труб, а усилие подъема от подъемных пружин передается через двуплечие рычаги подъема на подъемные тяги, поэтому стойки будут работать на сжатие, а не на изгиб.

Следовательно, предлагаемая конструкция позволяет уменьшить прочность конструктивных элементов основных стоек, вследствие чего значительно уменьшаются и все остальные нагрузки на несущую раму, которую также можно выполнить из более легких материалов. Например, использовать тонкостенные трубы для боковых стоек, которые следует рассчитать на сжатие, а не на изгиб.

Тяги синхронизации, которые связаны с рычагами двуплечих рычагов каретки, позволяют обеспечить плоскопараллельное движение кареток в процессе подъема и опускания токоприемника в продольно-вертикальной плоскости. Данная особенность механизма поясняется тем, что тяга синхронизации и боковые стойки по точкам шарниров образовывают параллелограмм. Тяги синхронизации выполнены регулируемыми по длине. Такое конструктивное сочетание верхней каретки с токосъемными вставками и механизмом подъема позволяет обеспечить равномерный износ обоих токосъемных вставок в процессе эксплуатации. В начальный период эксплуатации проводят регулировки тяги синхронизации так, чтобы обеспечивался равномерный износ обоих вставок. При увеличенном износе передних, по ходу движения, токосъемных вставок по сравнению с задними тяги синхронизации удлиняют, в противном случае - укорачивают.

В экстремальных условиях предлагаемое устройство автоматически складывается без изломов. Возможность автоматического самопредохранения заключается в следующих особенностях конструкции. При наезде токосъемных вставок на какие-либо препятствия (например, зависание изолятора на контактной сети) на контактной сети токосъемные вставки зацепляются за препятствие. Далее за счет сил сцепления каретка токосъемных вставок о препятствие начинает подниматься, и, поворачиваясь относительно оси верхнего вала, опрокидывается. При опрокидывании каретки токосъемных вставок плечо действия сил от массы становится значительно больше, чем при нормальной работе и вследствие этого момент сил от массы каретки будет превышать момент сил подъемных пружин, что в свою очередь приведет к опусканию каретки вниз до нижнего крайнего положения.

Рассмотренные конструктивно-кинематические особенности устройства позволяют значительно упростить и облегчить конструкцию, значительно снизив массу, обеспечив самопредохранение в аварийных ситуациях, надежность за счет работы стоек подъемного механизма на сжатие, а также создать постоянство давления токосъемных вставок на контактную сеть, что позволит максимально снизить износ трущихся поверхностей в зоне контакта. Следовательно, повышается эффективность токоприемника в целом как по конструктивным показателям, так и по эксплуатационным свойствам.

Приведенная совокупность новых признаков и свойств токоприемника позволяет сделать вывод о соответствии предложенного устройства критериям новизны и изобретательского уровня и о том, что между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь.

Предлагаемое техническое решение поясняется схемами, где на фиг.1 приведен общий вид токоприемника, вид сбоку; на фиг.2 - то же, вид сверху, а также дополнительно приложены фотографии конструкции предлагаемого технического решения опытного образца в рабочем положении: фиг.3 - общий вид токоприемника; фиг.4 - узел нижнего вала с фланцевым соединением.

Токосъемное устройство (фиг.1 и 2) содержит основание 1, на которое установлены стойки 2 с нижним 3 и верхним 4 валами. На нижний вал 3 с возможностью поворота установлены двуплечие рычаги подъема 5, который одним концом связан с тягой подъема 6. Свободный конец двуплечего рычага подъема 5 шарнирно связан с подъемной пружиной 7. Пружина 7 вторым концом закреплена на основании 1 посредством регулировочного винта 8. Тяга подъема 6 свободным концом присоединена к верней части стойки 2. На верхнем валу 4 жестко закреплены двуплечие рычаги 9 каретки 10 токосъемных вставок. Одно из плеч двуплечего рычага 9 каретки 10 соединено с тягой синхронизации 11. Тяги подъема 6, тяга синхронизации 11 снабжены регуляторами длины 12, 13. Двуплечие рычаги подъема 5 имеют регуляторы 14 изменения радиуса рычага присоединения пружины и связаны между собой при помощи полого вала 15 и фланцевого соединения 16 (см. фиг.2). Фланцевое соединение 16 закреплено при помощи болтов 17. Между стойками 2 диагонально установлены тяги жесткости 18, которые на нижнем конце снабжены регуляторами 19. Половинки фланцевого соединения 16 жестко связаны, каждая соответственно, с двуплечими рычагами 5 подъема посредством полого вала 15.

Основание 1 выполнено в виде жесткой прямоугольной рамы. Стойки 2 выполнены в виде двух боковых труб, одноименные концы которых соединены между собой валами 3, 4. Стойки 2 расположены в радиальном направлении относительно вала 3. Тяги подъема 6, тяга синхронизации 11, тяга жесткости 18 выполнены из гибкого каната.

Половинки фланцевого соединения 16 выполнены из дисков (два диска) с гладкой (или рифленой, или с отверстиями и т.п.) поверхностью и с отверстиями для установки болтов 17, которые стягивают фланцы и обеспечивают жесткую связь двуплечих рычагов 5 через полые валы 15 за счет сил трения.

В устройстве подвески имеется ограничитель подъема каретки (условно не показан, видно на фотографиях), выполненный в виде винтового регулятора, ограничителем подъема может быть веревочное устройство для опускания токосъемных вставок. На схемах веревочное устройство условно не показано, чтобы не загромождать изображение.

Перед началом эксплуатации токосъемное устройство регулируют. Вначале настраивают горизонтальное положение каретки 10 (см. фиг. 1 - 4) токосъемных вставок, изменением длины тяги синхронизации 11 посредством регулятора 13. После регулировки каретки 10 регулируют механизм подвески, добиваясь при этом постоянства давления токосъемных вставок на контактную сеть (контактная сеть условно не показана). Для чего необходимо установить вначале максимальный радиус приложения силы пружины 7 к рычагу 5 посредством регулятора 14. Далее устанавливают оптимальный угол между осями тяги 6 подъема и связанной с ней рычага 5, добиваясь при этом постоянного давления на контактную сеть во всем диапазоне перемещений каретки 10, изменяя натяжение пружины 7 посредством регулировочного винта 8. Если постоянства не удается добиться, то уменьшают радиус приложения силы пружины 7 с помощью регулятора 14. Далее проводят регулировки в вышеуказанном порядке. В случае, если пружины имеют большой перепад жесткости и получить постоянства давления на контактную сеть не удается, следует изменить положение двуплечих рычагов 5 друг относительно друга так, чтобы рычаг, к которому присоединена пружина с меньшей жесткостью, имел угол с тягой подъема больше, чем рычаг, к которому присоединена пружина с большей жесткостью. Далее следует повторить регулирование давления в зависимости от высоты расположения каретки в аналогичной последовательности, изменяя длину тяг 6 и натяжение пружин. При этом натяжение подъемных тяг 6 должно быть одинаковым для обоих.

Опускание токоприемника вниз из рабочего положения для перевода в транспортное (сложено в нижнее положение и зафиксировано) положение осуществляется при помощи веревки из кабины водителя, возможны и другие варианты, например механизмами с приводом.

Тяга 6, соединенная посредством двуплечего рычага 5 с полым валом 15, служит для подъема токоприемника и одновременно частично обеспечивает поперечную жесткость, т.е. выполняет две функции. Полый вал 15 насаживается на вал 3 свободно. Поэтому трубы подъемной рамы 2 будут работать только на сжатие, а не на изгиб, как у всех известных конструкций. Данная особенность позволяет использовать легкий материал с меньшей прочностью, чем стальные трубы или же тонкостенные трубы.

Устройство работает следующим образом. При движении электроподвижного состава (вагона) каретка 10 с токосъемными вставками скользят по токопроводу и обеспечивают контакт сети с приводом ходовой части. По мере изменения высоты расположения контактной сети относительно рельсов каретка 10, преодолевая усилие пружин 7, движется вниз (или вверх за счет действия пружин 7). Движение каретки вверх или вниз происходит по дуге, вследствие этого у каретки появляется относительное движение не только по вертикали, но и по горизонтали. Отмеченная особенность позволяет снизить вероятность зацепа токосъемных вставок о препятствие на перекрестках и повысить надежность, срок службы токоприемника. При движении каретки 10 вверх и вниз последняя совершает плоскопараллельное движение благодаря кинематической связи двуплечего рычага 9 с тягой синхронизации 11. Усилие пружин 7 передается на двуплечие рычаги 5 подъема и через тягу подъема 6 с регулятором 12 осуществляется подъем каретки 10. Благодаря такой кинематической схеме усилие подъема оказывает сжимающее воздействие на стойки 2, которые выполнены из тонкостенных труб.

При использовании такой конструкции уменьшается нагрузка на все основные узлы, что позволит снизить металлоемкость самого основания (рамы) 1.

В случае зацепления токосъемных вставок каретки 10 о препятствие (например, изоляторы повисли на контактной сети) при прямом ходе верхняя часть вместе с кареткой 10 и рычагами 9 начинает поворачиваться относительно верхнего вала 4 (за счет сил сцепления) и откидывается назад (по ходу движения). При этом значительно увеличивается момент внешних сил (момент от массы каретки 10) относительно нижнего вала 3, так как центр масс смещается дальше от нижнего вала 3 (в сторону, противоположную направлению движения). Данное обстоятельство приводит к быстрому самопроизвольному опусканию токоприемника вниз, так как момент сил пружин 7 в этом случае будет значительно меньше момента сил массы подвижных частей токоприемника.

Предложенный вариант механизма подвески токоприемника позволяет обеспечить автоматическое самопредохранение токоприемника в целом.

Таким образом, стойки 2 устройства, во всем диапазоне движения создавая давление на контактный провод, испытывают усилия только на сжатие, не подвергаясь изгибам и, как следствие, изломам. Тем самым увеличивается надежность работы устройства в целом. При этом значительно упрощаются конструкция и массогабаритные показатели устройства. Снижение массы поясняется тем, что металл лучше работает на сжатие, чем на изгиб, и, как следствие, используются тонкостенные трубы взамен толстостенных труб.

Благодаря использованию механизма регулирования подвески токоприемника с изменяемыми конструктивно-кинематическими параметрами добиваемся уменьшения массы конструкции в целом и постоянства нагрузки на контактную сеть, что в свою очередь позволяет снизить износ как токопровода, так и самих токосъемных вставок. Следовательно, повышается эффективность токоприемника.

На основе описанного устройства нами спроектирован токоприемник, который по массе значительно меньше имеющихся как отечественных, так и зарубежных токоприемников - аналогов (см. фиг.3, 4). Экспериментальные исследования показали возможность получения постоянства давления токосъемных вставок на контактную сеть, эксплуатационная проверка разработанного устройства подтвердила надежность и эффективность токоприемника.