Электросоединитель стыка контактного рельса

 

Изобретение относится к электрическим многоамперным соединениям температурных стыков контактных рельсов, например, метрополитенов. В электросоединителе стыка контактного рельса, содержащем две электрически соединенные между собой проводниками одинаковые стальные переходные пластины толщиной D, поверхности которых подразделены на опорно-контактный и примыкающий к нему по прямой линии длиной l_ok контактный участки, где первый участок имеет вид прямоугольника длиной l_ok и шириной h_ok, а второй - вид прямоугольной трапеции с основаниями l_ok и l_k<l и высотой h_k, при этом проводники электрически соединены с пластинами в пределах полосы шириной l_k, соответствующей меньшему основанию упомянутой трапеции, а опорно-контактные участки целиком лежат на подошве рельса шириной h = h_ок+Δ и приварены к ней по своим периметрам швом с катетом Δ, пластины симметрично расположены относительно стыка рельса так, что их края шириной h_оk параллельны и удалены друг от друга, а в не занятых указанными проводниками зонах опорно-контактных участков обе пластины снабжены обращенными дном в сторону стыка сквозными по толщине D равномерно чередующимися с шагом 4Δ открытыми пазами шириной 2Δ, стенки которых ориентированы под углом α к оси рельса и приварены к его подошве, причем Такая конструкция уменьшает габариты, металлоемкость и электрическое сопротивление переходных пластин, а также повышает равномерность распределения тока по площади их сварных контактов с рельсом. 2 ил., 1 табл.

Заявляемое техническое решение относится к электрическим многоамперным соединителям температурных стыков контактных рельсов, например, метрополитенов.

Электросоединители стыков контактных рельсов (ЭСКР) обеспечивают прохождение тока от одного участка рельса к другому в зонах их температурных стыков. Наиболее простой вариант ЭСКР реализуется путем приварки стальных манжет (оконцевателей) гибких, как правило, медных многожильных проводников непосредственно к стальной подошве контактного рельса /1, с. 39, рис. 2.24/. Однако, из-за ограниченной ширины подошвы число привариваемых проводников также ограничено (в случае метрополитенов согласно указанному рис. 2.24 это число равно четырем), что в свою очередь ограничивает возможности повышения токов, проводимых контактными рельсами, имеющими для этого достаточные площади поперечных сечений. Необходимость же повышения токов, например, в случае метрополитенов является естественным следствием их непрерывного расширения и интенсификации функционирования.

Для преодоления указанных ограничений применяются так называемые переходные стальные пластины, привариваемые к подошве рельса и тем самым локально увеличивающие ее ширину, в пределах которой можно разместить большее число проводников. Соответственно этому наиболее близкая к заявляемой полезной модели конструкция ЭСКР содержит /1, с. 116, рис. 5.15, в/ две электрически соединенные между собой проводниками одинаковые стальные переходные пластины, поверхности которых можно подразделить на опорно-контактный и примыкающий к нему по прямой линии контактный участки, где первый участок имеет вид прямоугольника, а второй - вид прямоугольной трапеции, при этом проводники электрически соединены с пластинами в пределах полосы, соответствующей меньшему основанию указанной трапеции, а опорно-контактные участки лежат на подошве рельса и приварены к ней по своим периметрам. Следовательно, электрический контакт между переходной пластиной и рельсом фактически обеспечивается за счет сварного шва с некоторым постоянным или в общем случае переменным катетом, характеризуемым средней величиной Δ . Шов имеет суммарную длину l_Δ, соответствующую привариваемой части периметра, указанного опорно-контактного участка. Поэтому постоянный или переменный электрический ток с действующим значением 1 будет протекать через площадь S_Δ сварного контакта со средней плотностью J_Δ, удовлетворяющей соотношению I = J_ΔS_Δ, S_Δ= Δl_Δ. (1) Поскольку величины Δ и J_Δ ограничены, то при повышении тока I соотношение (1) практически может удовлетворяться лишь за счет увеличения длины l_Δ, т. е. при I → ∞ и l_Δ→ ∞. . Увеличение же l_Δ, естественно, приводит к возрастанию габаритов и металлоемкости переходных пластин, а также может повышать и их электрическое сопротивление вследствие удлинения линий тока. При этом может возрастать и степень неравномерности распределения тока по площади сварного контакта, т. е. линии тока могут концентрироваться в сравнительно небольших участках сварных швов, что приводит к их локальному перегреву.

Заявляемая полезная модель решает задачу создания ЭСКР с переходными пластинами, имеющими уменьшенные габариты, металлоемкость и электрическое сопротивление, а также повышенную степень равномерности распределения тока по площади сварного контакта.

Решение указанной задачи достигается тем, что в известном ЭСКР (содержащем две электрически соединение между собой проводниками одинаковые стальные переходные пластины толщиной D, поверхности которых условно подразделены на опорно-контактный и примыкающий к нему по прямой линии длиной l_ок контактный участки, где первый участок имеет вид прямоугольника длиной l_ок и шириной h_ок, а второй - вид прямоугольной трапеции с основаниями l_ок и l_к<l и высотой h_к, при этом проводники электрически соединены с пластинами в пределах полосы шириной l_к, соответствующей меньшему основанию упомянутой трапеции, а опорно-контактные участки целиком лежат на подошве рельса шириной h = h_ок+Δ и приварены к ней по своим периметрам швом с некоторым средним катетом Δ ≅ D) пластины симметрично расположены относительно стыка рельса так, что их края шириной h_ок параллельны и уделены друг от друга, а в не занятых указанными проводниками зонах опорно-контактных участков обе пластины снабжены N≥1 обращенными дном в сторону стыка сквозными по толщине D равномерно чередующимися с шагом 4Δ открытыми пазами шириной 2Δ, стенки которых ориентированы под углом α к оси рельса и приварены к его подошве швом с катетом Δ, причем α = arctgh_к(l_ок-l_к)^-1. На фиг. 1 дана конструктивная схема заявляемой модели (вид сверху на подошву рельса), а на фиг. 2 - фрагмент переходной пластины с равномерно чередующимися пазами шириной 2Δ, разделенными перешейками (зубцами) неопределенной (искомой) ширины 2C.

Конструкция ЭСКР на фиг. 1 содержит две одинаковые стальные переходные пластины 1 толщиной D (размер D не показан), симметрично расположенные на подошве рельса 2 шириной h относительно его стыка δ. Края пластин шириной h_ок= h-Δ параллельны и удалены друг от друга. При этом прямоугольные их опорно-контактные участки 3 шириной h_ок и длиной l_ок целиком лежат на подошве, а примыкающие к ним по прямым линиям длиной l_ок (показаны пунктиром) трапецеидальные контактные участки 4 с основаниями длиной l_ок и l_к<l и высотой h_к не лежат на подошве рельса. В пределах полосы шириной l_к, соответствующей меньшему основанию трапецеидальных участков, пластины электрически соединены между собой проводниками 5 (на фиг. 1 представлен вариант неразъемного сварного соединения проводников с пластинами - сварные швы на периметрах стальных манжет 6 проводников не показаны). Сами же пластины приварены к подошве рельса не только по части периметров их опорно-контактных участков (на фиг. 1 это показанные штриховкой Г-образные швы 7 с катетом Δ и сторонами длиной h и l_ок), но и швами с тем же катетом Δ по стенкам N пазов шириной 2Δ (они также показаны штриховкой), разделенных зубцами шириной 2Δ (для определенности на фиг. 1 число N=3). При этом стенки пазов образуют с осью рельса тот же угол α, что и выступающие за его подошву края пластин, соответствующие большей боковой стороне трапецеидальных участков 4, т.е. α = arctgh_к(l_ок-l_к)^-1. Отметим, что изображенный на фиг. 1 конкретный вариант конструкции ЭСКР максимально может содержать восемь проводников: пять - сверху пластин (они показаны) и еще три - снизу пластин, т.е. под выступающими за подошву рельса их трапецеидальными участками (не показаны).

Очевидно, что, если соединения проводников с пластинами должны быть разъемными (болтовыми), то проще всего они реализуются на выступающих за подошву рельса трапецеидальных участках пластин. В этом случае пазы выполняются в пределах всей опорно-контактной длины l_ок, а Г-образные сварные швы 7 заменяются на П-образные (т. е. пластины привариваются еще и по участкам длиной h_ок своих сторон, прилегающих к стыку δ). Такими же, П-образными, эти швы могут быть и в случае сварного соединения проводников с пластинами, если только оно осуществляется на месте, а не в заводских условиях (т.е. сначала привариваются к подошве рельса пластины, а затем уже к ним - проводники).

Следует подчеркнуть, что переходные пластины не обязательно должны быть целиком плоскими. В частности, их трапецеидальные участки 4 могут быть, например, отогнуты вверх по линиям, показанным на фиг. 1 пунктиром. В этом случае опорно-контактные участки пластин можно приварить к подошве рельса по всем их прямоугольным периметрам.

ЭСКР работает следующим образом.

Постоянный или переменный ток с действующим значением I протекает по рельсу 2, переходным пластинам 1 и соединяющим их проводниками 5. При этом средняя плотность его протекания через площадь S_Δ сварного контакта между рельсом и переходными пластинами не должна превышать некоторой величины J_Δ, определяемой допустимой их температурой. Следовательно, согласно (1) сварной шов с катетом Δ должен иметь длину С другой стороны, согласно фиг. 1 где S_N - суммарная площадь N пазов, которую можно выразить в виде S_N= ε_NS, S = (l_ок-l_к)h_ок, h_ок= h-Δ. (4)
Здесь S - площадь не занятой манжетами 6 проводников 5 прямоугольной зоны опорно-контактных участков 3, в пределах которой расположены пазы, а ε_N - безразмерный коэффициент, определяющий долю площади S_N от площади S, т. е. ε_N< 1.
Так как в пределах площади S расположено N пазов и N+1 перешейков (зубцов), причем и те и другие имеют одинаковую ширину 2Δ, что

Из (3), (4) следует, что у заявляемой модели габаритная длина переходных пластин

У прототипа N= 0, так что согласно (5), (6) габаритная длина его переходных пластин равна величине l_ок(0), причем
l_ок(O) = l_Δ-h. (7)
Практически всегда, причем с большим запасом, выполняется условие
l_к<l(0),
с учетом которого из (6) и (7) следует
l_ок(N)<l(0).

Таким образом, габаритная длина l_ок переходных пластин у заявляемой модели - l_ок(N) меньше, чем у прототипа - l_ок(0). Это свидетельствует и о снижении их металлоемкости. Кроме того, вследствие уменьшения габаритной длины пластин и наличия в них пазов с приваренными к подошве рельса стенками существенно укорачиваются линии тока и повышается степень равномерности его распределения как по площади S_Δ/ сварного контакта, так и в целом по площади опорно-контактных участков пластин. Естественно, что все это приведет к снижению и электрического сопротивления ЭСКР.

Отметим, что выступающие за подошву рельса края 1 пластин в значительной степени формируют основную тенденцию прохождения линий тока - параллельно указанным краям пластин, т.е. под углом α к оси рельса. Поэтому для минимизации электрического сопротивления пластин стенки пазов имеют ту же ориентацию.

Характерно, что при N>3 коэффициент (5) мало зависит от N (см. таблицу).

Следовательно, при N>3 практически не зависит от N и габаритный размер (6). Поэтому, скорее всего, наиболее рациональные конструкции ЭСКР будут соответствовать N≅3.

Важной особенностью заявляемой модели (фиг. 1) является равенство ширины пазов и разделяющих из перешейков - зубцов. Это равенство обеспечивает выполнение условия

где ρ_x и ρ_у - эквивалентные удельные сопротивления зубцово-пазовой структуры переходных пластин в принятых на фиг. 1 координатных направлениях x, y, т.е. соответственно поперек - x и вдоль - y стенок пазов.

Условие (8) способствует формированию преимущественного направления линий тока вдоль оси y, т.е. вдоль стенок пазов. При этом оно повышает и равномерность растекания тока в направлениях оси x, т.е. равномерность его ответвления из зубцов поперек стенок пазов в их сварные контакты с подошвой рельса, что способствует устранению локальных перегревов и в целом уменьшает электрическое сопротивление ЭСКР.

Для доказательства указанного равенства, обеспечивающего выполнение условия (8), рассмотрим фиг. 2, где представлен фрагмент зубцово-пазовой структуры переходной пластины, у которой в отличие от фиг. 1 зубцы имеют неопределенную ширину 2C. При этом удельное сопротивление зубцов равно ρ_c, а заваренных пазов -ρ_Δ.
На границах раздела пазов и зубцов нормальная составляющая J_x вектора плотности тока непрерывна /2, c. 41/. Поэтому J_x≈const, так что условие эквивалентности для электрического напряжения U_xτ, приложенного к отрезку оси x длиной τ, равной шагу чередования пазов (фиг. 2), по аналогии с /3, с. 59, второе уравнение (58)/, имеет вид
U_xτ= ρ_xJ_xτ = ρ_ΔJ_x2Δ+ρ_cJ_x2C, τ = 2(Δ+C). (9)
На указанных границах раздела непрерывна и касательная составляющая E_y вектора электрической напряженности /2, с. 40/. Поэтому E_y≈const, так что условие эквивалентности для удельного (на единицу длины по оси Z) электрического тока i_уτ, протекающего вдоль оси y через отрезок оси x длиной τ (фиг. 2), по аналогии с /3, с. 59, первое уравнение (58)/, имеет вид
i_уτ= ρ^-_у¹E_уτ = ρ^-_Δ¹E_у2Δ+ρ^-_c¹E_у2C. (10)
Умножив (9) на (10) и сократив J_x и E_y, получим выражение для отношения эквивалентных удельных сопротивлений (8):

Если найти производную от этого выражения по C и в соответствии с (8) приравнять ее к нулю, то получается уравнением C-Δ = 0, которое свидетельствует о наличии именно минимума у функции (11), достигаемого как раз при равенстве ширины пазов и зубцов (2C = 2Δ). Важно, что этом равенство не зависит от значений ρ_Δ и ρ_c. Следовательно, оно сохраняется независимо от материалов как сварного шва, так и пластин.

Оценим эффективность заявляемой модели (фиг. 1) на конкретном примере при следующих исходных данных, характерных для метрополитенов /1, c/ 14, 17, 18, 39/:
h = 80 мм, l_к= 90 мм, Δ = 10 мм, (12)
1=3500 A, J_Δ= 0,4 A/мм².
Согласно (12) и (2)
l_Δ= 875 мм, (13)
так что из (7) следует
l_ок(0)=795 мм.

С учетом (12), (13) и (5), например, при N=3 из (6) находим
l_ок(3)=266 мм.

Итак, согласно (14) и (15) у рассмотренного варианта ЭСКР, соответствующего фиг. 1, габаритная длина переходных пластин - l_ок(3) в 3 раза меньше аналогичной длины - l_ок(0) у прототипа. Это подтверждает высокую эффективность заявляемой полезной модели.

Формула изобретения

Электросоединитель стыка контактного рельса, содержащий две электрически соединенные между собой проводниками одинаковые стальные переходные пластины толщиной D, поверхности которых подразделены на опорно-контактный и примыкающий к нему по прямой линии длиной l_ок контактный участки, где первый участок имеет вид прямоугольника длиной l_ок и шириной h_ок, а второй - вид прямоугольной трапеции с основаниями l_ок и l_к < l_ок и высотой h_к, при этом проводники электрически соединены с пластинами в пределах полосы шириной l_к, соответствующей меньшему основанию упомянутой трапеции, а опорно-контактные участки целиком лежат на подошве рельса шириной h = h_ок+Δ и приварены к ней по своим периметрам швом с катетом Δ, отличающийся тем, что пластины симметрично расположены относительно стыка рельса так, что их края шириной h_ок параллельны и удалены друг от друга, а в не занятых указанными проводниками зонах опорно-контактных участков обе пластины снабжены обращенными дном в сторону стыка сквозными по толщине D равномерно чередующимися с шагом 4Δ открытыми пазами шириной 2Δ, стенки которых ориентированы под углом α к оси рельса и приварены к его подошве, причем

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3