троллейбус с частичной независимостью от контактной сети

Формула изобретения

1. Троллейбус с частичной независимостью от контактной сети, содержащий тяговый электродвигатель с внешним ротором-маховиком, двухступенчатый редуктор, ведущий мост, токоприемное устройство с изолированным каркасом и установленными на нем тремя токосъемными элементами с полупроводниковыми вентилями, привод для подъема и опускания токоприемного устройства, систему управления приводом с трехпозиционным переключателем, с реле выключения главного /линейного/ контактора и реле с контактами, механически связанными с приводом контактов упомянутого контактора, отличающийся тем, что перемещение блока шестерен в редукторе для изменения передаточного отношения на различных режимах работы трансмиссии - движение или рекуперативное торможение осуществляется электроприводом, а для управления скоростью движения троллейбуса рекуперативного торможения между редуктором и ведущим мостом установлена шариковая гидроупорная муфта, которая производит изменение частоты вращения ведомого узла относительно ведущего за счет их относительного скольжения, причем степень скольжения при рекуперативном торможении изменяется тормозной педалью при ее воздействии непосредственно на перепускной золотник муфты, а при управлении скоростью движения троллейбуса педаль хода воздействует на пружину регулятора частоты вращения выходного узла муфты, изменяя ее затяг, в результате чего происходит взаимодействие регулятора с перепускным золотником муфты.

2. Троллейбус по п.1, отличающийся тем, что тяговый электродвигатель работает в узком диапазоне частоты вращения, а включение его в работу производится датчиком частоты вращения независимо от системы управления скоростью движения троллейбуса.

3. Троллейбус по п.1, отличающийся тем, что рама токоприемного устройства с каркасом и токосъемными элементами прижимается к проводам контактной сети пружинами, установленными между основанием и трубами рамы, а для подъема и двухпозиционного спуска токоприемного устройства на поперечине рамы закреплен конец троса, проходящего через стойки с роликами в кабину управления, причем другой конец троса закреплен на барабане, который через редуктор с самотормозящей червячной передачей приводится во вращение электродвигателем или ручным приводом, причем при разматывании троса с барабана рама токоприемного устройства с каркасом и токосъемными элементами поднимается под воздействием усилия пружин и прижимается к проводам контактной сети, а при наматывании троса на барабан рама принудительно опускается на необходимую величину, причем в нерабочем положении рама фиксируется пружинной защелкой.

4. Троллейбус по п.1, отличающийся тем, что система управления приводом токоприемного устройства снабжена двумя зажим-упорами, закрепленными на тросе привода, реле с двумя парами контактов, механически связанных с приводом контактов главного /линейного/ контактора, а также имеет датчик натяжения троса и контакторы включения электродвигателя привода для вращения в ту или иную сторону, причем при установке переключателя управления в положение для подъема токоприемного устройства, замыкается электрическая цепь управления соответствующим контактором, который включает электродвигатель привода для вращения в соответствующем направлении до замыкания контактов главного /линейного/ контактора и размыкания одной из пар контактов вышеупомянутого реле, которые размыкают электрическую цепь управления упомянутого контактора электродвигателя привода и двигатель останавливается, а при установке переключателя управления в положение для опускания токоприемного устройства, размыкаются контакты главного /линейного/ контактора, а механически связанная с ними другая пара контактов реле замыкает электрическую цепь управления соответствующего контактора, включающего электродвигатель привода в направлении для опускания токоприемного устройства до взаимодействия первого зажим-упора с конечным выключателем, отключающего электропитание двигателя привода, при этом рама и каркас с токосъемными элементами удерживаются в таком положении механизмом редуктора, что соответствует первой позиции спуска токоприемного устройства, причем при повторной установке переключателя управления в положение спуска, соответствующий контактор вновь подает электропитание на двигатель привода для вращения его в сторону опускания токоприемного устройства до взаимодействия второго зажим-упора с конечным выключателем, который отключает электропитание двигателя и рама токоприемного устройства удерживается в этом положении механизмом редуктора, что соответствует второй позиции спуска токоприемного устройства, причем при изменении высоты подвеса проводов контактной сети, изменяется натяжение троса, приводящее к перемещению штока датчика натяжения и замыканию соответствующих контактов датчика, которые замыкают электрическую цепь управления того или иного контактора, в результате чего электродвигатель привода вращается для разматывания или наматывания троса на барабан, причем на электродвигатель подается меньшая величина напряжения и двигатель работает с пониженной частотой вращения до восстановления заданной слабины троса.

5. Троллейбус по п.1, отличающийся тем, что система управления приводом токоприемного устройства имеет контактные пластины, установленные на концах токоизолированного каркаса, причем пластины электрически связаны с передатчиками инфракрасных сигналов, помещенными на внутренней стороне каркаса, а под каркасом на крыше троллейбуса помещен приемник инфракрасных сигналов, который электрически связан с реле выключения главного /линейного/ контактора, причем при взаимодействии проводов сети с контактными пластинами передатчик выдает инфракрасный сигнал, который воспринимается приемником и преобразуется в электроток, поступающий на электромагнит упомянутого реле, выключающего главный /линейный/ контактор, после чего токоприемное устройство опускается на первую позицию.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к городскому транспорту, а именно - к троллейбусам.

Известен городской троллейбус, например, ЗИУ-9Б, содержащий тяговый электродвигатель, агрегаты управления им и токоприемное устройство /ТПУ/. Электропитание подводится к ТПУ от двух проводов контактной сети постоянного тока, а токосъем производится контактными головками ТПУ штангового типа, например, РТ-6И. Во время движения троллейбуса и при его маневрировании щеки контактных головок, взаимодействуя с проводами сети, осуществляют ориентацию ТПУ относительно проводов и троллейбуса, вследствие поворота каждой штанги по вертикальной и горизонтальной оси, при этом прижатие штанг к проводам сети обеспечивается пружинами. Электропитание от ТПУ поступает к тяговому электродвигателю /ТЭД/, причем частота вращения ротора двигателя и, соответственно, скорость движения машины, изменяется электромеханической или электронной системой управления. Однако, существующие ТТУ штангового типа в комплексе с контактной сетью не обеспечивают надежного токосъема из-за частого схода контактных головок с проводов сети при движении троллейбуса, особенно при проходе спецчастей, которые устанавливаются в местах разветвлений контактных линий, при их пересечениях и на участках изменения направления движения. Кроме того, маневрирование троллейбуса сковано зоной контакта ТПУ с проводами сети. Все это ограничивает использование троллейбуса в составе городского транспорта, несмотря на явные преимущества электропривода перед приводом от д.в.с. Известен также гиробус фирмы Эрликон . Гиробус содержит мотор-генератор, соединенный общим валом с аккумулятором кинематической энергии - маховиком, ТЭД и штанги управляемого ТПУ. ТЭД получает электропитание от мотор-генератора, который во время движения машины работает как генератор и приводится во вращение маховиком. На остановках при посадке-высадке пассажиров, с гиробуса поднимаются токосъемные штанги и совмещаются с контактными элементами, расположенными на специальных опорах, после чего мотор-генератор, работая в режиме двигателя, разгоняет маховик. Однако, в городском цикле движения разгон-торможение силовая установка, выполненная по этой схеме, малоэффективна из-за больших потерь запасенной в маховике кинематической энергии. Создает определенные неудобства и обязательный подход к местам остановок для разгона маховика. Известен, кроме того, троллейбус с управляемым ТПУ, которое работает совместно с контактной сетью с увеличенным расстоянием между проводами и не имеющей спецчастей в своем составе /патент RU № 2346830/ В этом троллейбусе ТПУ содержит 3 контактных элемента, помещенных на токоизолированном каркасе по габаритной ширине троллейбуса. Средний контактный элемент соединен с потребителями через полупроводниковые вентили, а подъем ТПУ, прижатие его к проводам сети и двухпозиционный спуск осуществляется пневмоприводом. Силовая установка троллейбуса и система управления ею традиционной конструкции. ТПУ этого троллейбуса совместно с контактной сетью обеспечивает достаточно надежный токосъем, а благодаря управлению ТПУ с места водителя, троллейбус имеет некоторую независимость от сети при движении по инерции. Однако, во время остановок и движения с малой скоростью маневрирование троллейбуса ограничено зоной контакта ТПУ с проводами сети, т.е. в пределом габаритной ширины машины. Кроме того, пневмопривод не обладает достаточной надежностью и повышает расход воздуха из пневмосистемы.

Задача изобретения - расширить зону маневрирования троллейбуса независимо от контактной сети, повысить надежность привода токоприемного устройства и эффективность всей силовой установки. Указанная задача решается тем, что тяговый электродвигатель выполнен по схеме с внешним ротором, при этом ротор одновременно является маховиком, кинематическая связь ротора-маховика с ведущим мостом троллейбуса осуществляется через двухступенчатый редуктор и муфту, причем в редукторе передаточное отношение изменяется в зависимости от режима работы трансмиссии, а с помощью специальной муфты управляют скоростью движения троллейбуса и процессом рекуперативного торможения. На троллейбусе устанавливается указанное выше, по патенту RU № 2346830, токоприемное устройство, которое вместо пневмопривода снабжено электроприводом, а также ручным приводом из кабины водителя. В качестве специальной муфты используется шариковая гидроупорная муфта /патент RU № 2374525/ Эта муфта состоит из 2^х основных узлов - наклонного диска и ступицы с гидроупорами и шариками, узлы муфты допускают длительное скольжение относительно друг друга, причем каждый узел в равной степени может быть как ведущим, так и ведомым. Степень проскальзывания от нулевой до полной регулируется золотником, осуществляющим дозированный перепуск рабочей жидкости в гидроцилиндрах муфты. Основной принцип работы шариковый гидроупорной /бесфрикционной/ муфты заключается в частичной или полной трансформации вращательного движения в поступательное, благодаря чему и происходит относительное скольжение узлов муфты /в фрикционных муфтах скольжение между узлами регулируется изменением сил трения/

На фиг.1 изображена принципиальная схема силовой установки троллейбуса и блок-схема управления ею, на фиг.2 - общий вид токоприемного устройства с электроприводом, а также размещение электроприборов и деталей на токоизолированном каркасе, на фиг.3 - блок-схема управления токоприемным устройством. На блок-схемах пунктирной линией обозначена механическая связь между приборами управления, а сплошной - электрическая связь.

Тяговый электродвигатель /ТЭД/ содержит внешний ротор-маховик 1, внутренний неподвижный статор 3 и корпус 2. ТЭД устанавливается в троллейбусе вертикально, например, в его задней части. Ротор-маховик через шестерни 4 конической передачи кинематически связан с 2^х ступенчатым редуктором, который состоит из шестерни 5 и зубчатого колеса 7, жестко закрепленных на валу, а также блок шестерен 6. Для вхождения в зацепление с шестерней 5 или зубч. колесом 7, блок шестерен имеет возможность осевого перемещения по шлицам вала с помощью электропривода, содержащего втягивающую катушку и возвратную пружину /конструкция электропривода аналогична конструкции электропривода перемещения шестерни стартера д.в.с./ Шлицевой вал блока шестерни соединен с ведущим узлом бесфрикцион. муфты 8, а вал 9 ведомого узла муфты с ведущим мостом троллейбуса. Система управления силовой установкой включает в себя тормозную педаль 10, педаль хода 11, ручной включатель 12, блок управления 13 бесфрикцион. муфтой, датчик 14 частоты вращения ТЭД, электропривод 15 перемещения блока шестерен, пусковое устройство 16 и тормозной кран 17 пневматической тормозной системы. Блок управления бесфрикцион. муфтой состоит из центробежного регулятора непрямого действия и непосредственно узла /золотник с электромагнит. приводом/ управления ею. Педаль хода для изменения затяга пружины регулятора связана с ней /пружиной/ механическим приводом. Тормозная педаль имеет электрическую связь с электромагнит. приводом золотника муфты. Кроме того, педаль снабжена контактами датчика, имеющего электрическую связь с приводом блока шестерен редуктора, а также механическую связь с тормозным краном. Для обеспечения электропитанием низкого напряжения /24в/ вспомогательного оборудования и систем управления установлен генератор собственных нужд, который имеет постоянный привод от ротора-маховика. Генератор работает совместно с аккумуляторной батареей и регулятором напряжения. В качестве токоприемного устройства ТПУ /использован указанный выше по патенту RU № 2346830 токоприемник и контактная сеть с расстоянием между проводами 950-1000 мм. Электрически изолированные планки каркаса 18 /фиг.2/ с тремя токосъемными элементами, установленными на каркасе по габаритной ширине троллейбуса, шарнирно соединены с трубчатой рамой 19. Рама также шарнирно соединена с кронштейнами 23. К проушинам рамы и основанию крепятся пружины 22. Основание установлено на крыше троллейбуса на изоляторах. К раме приварены две поперечины, одна из которых является упором 20, а к другой крепится трос 21 привода. Трос проходит через ролики 24 и отверстие в крыше машины в кабину водителя и далее закрепляется на барабане электропривода 28 ТПУ. Привод включает в себя электродвигатель и редуктор с самотормозящей червячной передачей. Редуктор снабжен рукояткой 27 для ручного вращения барабана. В нерабочем положении рукоятка разъединена с валом редуктора. На стенке кабины установлены конечный выключатель 25 и датчик 29 натяжения троса, причем ролики штоков конечного выключателя и датчика прижаты к поверхности троса своими внутренними пружинами. На крыше троллейбуса имеется защелка 34, фиксирующая раму ТПУ в нижнем положении на время длительной стоянки машины. С крайними контактными элементами 35 на каркасе соединены силовые кабели 31. Каждый кабель проходит в вилку шарнира и далее во внутрь изолированной трубы рамы ТПУ с выходом из нее в районе кронштейнов 23. Поскольку средний контактный элемент подключается к силовым кабелям через полупроводниковые вентили, они помещены в отдельной коробке 32 и электрически соединены с силовыми кабелями медными шинами. Коробка и все электрические соединения смонтированы на внутренней поверхности токоизолированных планок. На внешней стороне планки с средним контактным элементом в конце изолированных участков имеются контактные пластины 30. Эти пластины электрически связаны с передатчиками сигналов инфракрасного диапазона /ИК-сигналов/, которые также установлены на внутренней поверхности планки каркаса. Приемник 38 ИК-сигналов помещен на крыше троллейбуса под каркасом с токосъемными элементами. Система управления ТПУ /фиг.3/ состоит из реле 37 выключения главного контактора, реле 35 с двумя парами контактов /одна пара замкнута, другая разомкнута/, имеющих механическую связь с контактами главного контактора, трехпозиционного переключателя 39, контакторы 40, 42 включения электродвигателя 41 привода ТПУ на подъем или спуск соответственно, а также упоминавшиеся выше конечный выключатель 25, датчик 29 натяжения троса и приемник 38 ИК-сигналов.

Работа силовой установки, устройств и систем троллейбуса происходит следующим образом. До выхода машины на маршрутную линию ТПУ опущено и зафиксировано защелкой на крыше. Ротор-маховик неподвижен. Электропитание цепей управления производится от аккумуляторов. Контакты реле 37 замкнуты, а главного контактора разомкнуты, одна пара контактов реле 35 замкнута, другая разомкнута. Для принятия ТПУ рабочего положения с помощью тяги или троса, находящейся с внешней стороны в задней части троллейбуса, освобождают от фиксации поперечину-упор 20 рамы ТПУ, затем в кабине водителя перемещают ручку 3^х-позиционного переключателя в положение, соответствующее подъему ТПУ. В результате замыкаются контакты контактора 40 и электродвигатель 41 привода вращает барабан в сторону разматывания троса, причем контакты контактора остаются замкнутыми и после возвращения ручки переключателя в исходное /среднее/ положение. Рама ТПУ поднимается усилием пружин со скоростью движения троса, поэтому трос остается в натянутом состоянии. Подъем ТПУ продолжается до прижатия каркаса с токосъемными элементами к проводам сети. Ток из контактной сети через замкнутые контакты реле 37 поступает на обмотку катушки главного контактора и его контакты замыкаются, а 1^ая пара контактов реле 35 размыкается, при этом прекращается электропитание катушки контактора 40 и электродвигатель привода останавливается, прекращая разматывание троса с барабана. Кроме того, с другой, замкнутой пары контактов реле 35 электрический ток поступает к контактам датчика 29 натяжения троса, а от замкнутых контактов глав. контактора ток высокого напряжения поступает к потребителям. Датчик частоты вращения ТЭД через пусковое устройство подает электрич. ток для разгона ротора-маховика до номинальной частоты вращения, после чего электропитание прекращается. Перед началом движения в управляемом 2^х ступенчатом редукторе включена ступень для разгона и движения - блок шестерен 6 усилием пружины привода смещен в положение, в котором зубчатое колесо 7 находится в зацеплении с малой шестерней блока. Движение троллейбуса после разгона ротора-маховика начинается с нажатия на педаль хода, которая через привод изменяет затяг пружины центробежного регулятора частоты вращения ведомого вала бесфрикц. муфты и включает ее в работу, после чего муфта плавно соединяет вал редуктора с ведущим мостом троллейбуса. Крутящий момент от ротора-маховика через шестерни конической передачи передается валу редуктора и далее через зубчатое колесо и малую шестерню блока шестерен к ведущему узлу муфты, ведущему мосту и колесам. Интенсивность разгона и скорость движения троллейбуса регулируется бесфрикц. муфтой, в зависимости от положения педали хода. Педаль хода, изменяя затяг пружины центробежного регулятора, задает необходимую частоту вращения ведомого вала муфты и соответствующую этой частоте скорость движения машины. Эта частота вращения поддерживается на заданном уровне независимо от частоты вращения ротора-маховика. При снижении частоты вращения ротора до установленного минимума, датчик 14 включает подачу электропитания на ТЭД, а после восстановления нужной частоты вращения отключает электропитание. Благодаря центробежному регулятору, увеличение частоты вращения ротора-маховика не сказывается на скорости движения троллейбуса. В результате, при неизменном положении педали хода, машина продолжает движение с той же скоростью, а при дальнейшем нажатии на педаль скорость движения увеличивается. Торможение с аккумулированием кинематической энергии троллейбуса /рекуперативное торможение/ производится с начала нажатия на тормозную педаль, причем вначале замыкаются контакты датчика положения тормозной педали, с которых подается электропитание на привод блока шестерен редуктора с одновременной блокировкой включения пускового устройства, исключая подачу электропитания на ТЭД. Электропривод перемещает блок шестерен по шлицам вала, при этом зубчатое колесо блока входит в зацепление с шестерней 5 ведущего вала редуктора. Общее передаточное отношение трансмиссии от колес к ротору-маховику при таком состоянии 2^х ступенчатого редуктора увеличивает частоту вращения ротора-маховика до величины, обеспечивающей аккумулирование в маховике большей части кинематической энергии движущегося троллейбуса. Дальнейшее перемещение тормозной педали регулирует интенсивность процесса рекуперативного торможения, при этом изменяется степень перемещения перепускного золотника бесфрикц. муфты, а в конечном итоге, степень возрастания частоты вращения ротора-маховика. Окончание перехода кинематической энергии от троллейбуса к маховику характеризуется прекращением замедления машины и для полной остановки тормозную педаль перемещают далее, тем самым открывая тормозной кран пневматической системы торможения, причем бесфрикц. муфта выключается и ротор-маховик разъединяется с трансмиссией. Движение троллейбуса с использованием накопленной в маховике энергии начинается после нажатия на педаль хода /этот процесс описан выше/ Количество аккумулированной в роторе-маховике энергии, с учетом имеющейся в нем до рекуперативного торможения, достаточно для того, чтобы троллейбус в нормальных /без заторов движения/ условиях прошел путь от одной пассажирской остановки до другой без включения в работу ТЭД. Таким образом, рекуперативное торможение в заявленном троллейбусе позволяет непосредственно использовать аккумулированную энергию, а не возвращать ее в контактную сеть, где эта энергия рассеивается в обширном пространстве сети, делая процесс рекуперации не эффективным. Рекуперативное торможение становится малоэффективным и при движении с малой скоростью с частыми остановками, что характерно для заторов движения /пробок/ В такой ситуации рекуперативное торможение не производится, а при необходимости увеличения частоты вращения ротора-маховика и, соответственно, запаса кинематической энергии в нем, перед проходом участков без контакта с проводами сети частоту вращения ротора-маховика доводят до номинальной, подавая электропитание на ТЭД ручным включателем 12. В конечном итоге, в маховике всегда можно иметь запас кинематической энергии для движения троллейбуса без контакта с проводами сети. Управляемое ТПУ троллейбуса совместно с контактной сетью обеспечивает зону контакта ТПУ с проводами шириной 1.5 м, т.е. глубина маневра машины находится в этом пределе. При приближении любого провода контактной сети к краю поверхности контактного элемента, провод соприкасается с одной из контактных планок 30. В результате соответствующий передатчик ИК-сигналов выдает этот сигнал, который воспринимается приемником ИК-сигналов 38, а от него сигнал, преобразованный в электрический ток, поступает к реле 37. Реле размыкает свои контакты, обесточивая катушку глав. контактора, его контакты размыкаются, отключая потребители, соответственно, замыкается 1^ая пара контактов реле 35, а 2^ая пара контактов этого же реле размыкается, прекращая подвод электропитания к датчику натяжения троса. Через замкнутые контакты реле ток поступает к катушке контактора 42 и он включает электродвигатель привода ТПУ для вращения барабана в сторону наматывания на него троса и опускания ТПУ на 1^ую позицию - до взаимодействия 1^ого зажим-упора на тросе с роликом конечного выключателя 25, шток которого, перемещаясь, отключает питание электродвигателя привода. Положение зажим-упора на тросе обеспечивает отключение двигателя при опускании каркаса с токосъемными элементами на расстояние 250-300 мм. от проводов контактной сети, что дает возможность движение и маневрирование троллейбуса без контакта ТПУ с проводами сети. При движении троллейбуса по маршруту изменяется высота подвеса проводов контактной линии. Это отражается на степени натяжения троса привода ТПУ и может нарушить токосъем. Незначительное изменение высоты подвеса, связанное с неровностями покрытия или другими дефектами, устраняются датчиком натяжения, который при изменении натяжения и перемещении своего штока с замыканием соответствующих контактов, через контакторы 40 и 42 включает электродвигатель привода для разматывания или наматывания троса на барабан. Электропитание на двигатель привода при этом поступает через реостат, который понижает напряжение и вынуждает работать электродвигатель с меньшей частотой вращения. Электропитание на контакты датчика натяжения подается только при отключении привода ТПУ /ручка 3^х позицион. переключателя в 0 положении/ При значительном изменении высоты подвеса проводов сети, например, при проходе их под искусственными сооружениями, опускания ТПУ на 1^ую позицию недостаточно и тогда его опускают на 2^ую позицию, повторно устанавливая ручку 3^х позицион. переключателя в положение на спуск ТПУ. Электродвигатель привода включается, а его отключение происходит после взаимодействия 2^ого зажим-упора на тросе с роликом штока конечного выключателя, причем до того как поперечина-упор рамы вступит в контакт с защелкой. Фиксация рамы защелкой на время продолжительной стоянки троллейбуса осуществляется с помощью ручного привода. Движение и маневрирование троллейбуса производится как с использованием инерции машины, так и за счет аккумулированной в роторе-маховике кинематической энергии /из неподвижного состояния/ Это позволяет троллейбусу совершать маневрирование в широком диапазоне, а также проходить пересечения контактных линий, повороты и другие участки маршрута на значительно большей скорости движения, чем троллейбус традиционной конструкции. Аккумулирующая способность ротора-маховика зависит от его массы, диаметра и частоты вращения. Например, ротор-маховик массой 800-1000 кг, диаметром 1 м. при подаче электропитания на ТЭД и разгона его до частоты вращения 1500 об/мин. аккумулирует количество кинематической энергии, достаточной для разгона троллейбуса из состояния покоя до максимальной скорости движения. Во время рекуперативного торможения со снижением скорости движения с 60 до 15 км/ч. частота вращения ротора-маховика повышается до 2000 об/мин. Из вышеизложенного видно, что движение заявленного троллейбуса производится главным образом за счет аккумулированной в маховике кинетич. энергии, причем аккумулирование осуществляется и при рекуперативном торможении и при работе тягового электродвигателя; управление процессами рекуперативного торможения и скорости движения происходит при помощи агрегата трансмиссии, а не электромеханической или электронной системы управления. Отличительной особенностью маховика является его способность отдавать накопленную энергию за любой промежуток времени, поэтому на выходе /колесах/ можно получить и любой крутящий момент. В результате, отпадает необходимость в большом /11-12/ передаточном отношении трансмиссии при передаче вращательного движения от ТЭД к колесам и ведущий мост снабжается только одним центральным редуктором /колесные редукторы отсутствуют/, при этом динамические характеристики машины сохраняются.