Изнашиваемая накладка пантографного токосъемника и пантографный токосъемник, оснащенный такой изнашиваемой накладкой
Группа изобретений относится к токоприёмникам транспортных средств. Изнашиваемая накладка пантографного токосъемника содержит участок из углерода, называемый основным участком, проходящий вдоль упомянутого продольного направления полностью между токоприемной поверхностью и соединительной поверхностью и по меньшей мере один электропроводящий элемент, вставленный в основной участок, который проходит по меньшей мере частично вдоль упомянутого продольного направления, по меньшей мере частично между упомянутой токоприемной поверхностью и упомянутой соединительной поверхностью. При этом упомянутый электропроводящий элемент имеет удельное сопротивление, меньшее удельного сопротивления углерода упомянутого основного участка, и содержит углерод. Также заявлен пантографный токосъемник, содержащий по меньшей мере одну изнашиваемую накладку. Технический результат заключается в обеспечении распределения тока между составляющими материалами для снижения нагрева. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил., 6 табл.
1. Область техники
Настоящее изобретение к изнашиваемым накладкам пантографных токосъемников, а также - к пантографным токосъемникам, содержащим эти накладки.
2. Уровень техники
Известно, что железнодорожное транспортное средство, такое как поезд, метро или трамвай, содержит вагон, оснащенный двигателем, запитываемым током, подаваемым через контактную сеть, которая включает в себя вертикальные опоры, поддерживающие контактный провод, который проходит над путями железной дороги, по которым проезжает это транспортное средство. Опоры контактной сети отстоят одна от другой на несколько десятков метров и поддерживают несущий трос, к которому через маятники подвешен контактный провод. Пантографный токосъемник, далее, установлен на крыше оборудованного двигателем вагона железнодорожного транспортного средства, чтобы снимать протекающий через контактный провод электрический ток для питания оборудованного двигателем вагона электрической энергией в процессе его перемещения по рельсам. Этот пантографный токосъемник, как правило, включает в себя несомую крышей вагона составную конструкцию и полоз или приемную каретку, предназначенную для отбора тока из контактного провода контактной сети. Часть полоза, находящаяся в контакте с контактным проводом контактной сети, известна под названиями "изнашиваемая накладка" или "накладка трения" пантографного токосъемника.
При построении контактной сети контактный провод смещают в сторону каждого опорного столба таким образом, чтобы избежать того, чтобы точка контакта и трения между пантографным токосъемником и контактным проводом всегда оставалась на одном и том же месте, опасаясь вызвать "пропил" или преждевременное старение полоза пантографного токосъемника. Это называется зигзагами контактной сети. Кроме того, изнашиваемая накладка полоза пантографного токосъемника в зависимости от продвижения поезда должна скользить по проводу, а он, посредством смещения, должен также проходить по изнашиваемой накладке справа налево и обратно. Изнашиваемая накладка должна противостоять механическому истиранию. Более того, изнашиваемая накладка подвергается сильному нагреву. Этот нагрев ее разрушает и облегчает ее изнашивание.
В течение длительного времени изнашиваемые накладки изготовляли из металлического материала, такого как медь, и/или сталь. В последнее время эти изнашиваемые накладки постепенно заменяют изнашиваемыми накладками из углерода. Углерод, благодаря своим свойствам самосмазывания, имеет преимущество очень мало истирания контактного провода.
Однако по отношению к металлу углерод имеет очень высокое сопротивление, что при пропускании через него тока приводит к сильному нагреву. Этот недостаток может быть частично компенсирован увеличением ширины накладки и, таким образом, - контактной поверхности с проводом, но связанное с этим увеличение веса заключает в себе очень негативные последствия для пантографного токосъемника с точки зрения динамики его работы.
Для того чтобы уменьшить сопротивление, и таким образом увеличить электропроводность углеродных изнашиваемых накладок, были разработаны изнашиваемые накладки, содержащие основной участок из углерода и один или более электропроводящих элементов из меди или алюминия, которые выходят на поверхность отбора тока. Однако при этом через электропроводящий элемент из меди или алюминия проходит слишком большой ток, что приводит к точечному нагреву электропроводящего элемента, так что последний размягчается и расползается по поверхности.
Тем не менее, для того, чтобы уменьшить сопротивление, были разработаны изнашиваемые накладки из углерода, в которых поры углерода были заполнены металлом. Эти накладки, называемые накладками из пропитанного углерода, характеризуются заметным повышением проводимости, но, однако, такой, которая является недостаточной в сопоставлении с уровнями, необходимыми при наличии сильных токов. Более того, электропроводность и сопротивление износу этих накладок не стандартизованы. Они остаются очень разными в зависимости от гаммы продуктов, и даже между двумя продуктами, продаваемыми как представляющие собой одни и те же свойства.
3. Цели изобретения
Целью изобретения является устранение, по меньшей мере, некоторых из недостатков известных изнашиваемых накладок токоприемника.
В частности, изобретение имеет целью обеспечить, по меньшей мере в одном варианте осуществления изобретения изнашиваемую накладку, которая имеет более высокую общую электрическую проводимость, а также управляемый нагрев.
Изобретение также имеет целью обеспечить, по меньшей мере в одном варианте осуществления изобретения изнашиваемая накладка, которая имеет повышенное сопротивление износу.
Изобретение также имеет целью обеспечить, по меньшей мере в одном варианте осуществления изобретения изнашиваемые накладки, построенные таким образом, чтобы обладать управляемыми и воспроизводимыми свойствами сопротивления износу и проводимостью.
Изобретение также имеет целью обеспечить, по меньшей мере в одном варианте осуществления изобретения изнашиваемая накладка, менее подверженная воздействию нагрева, обусловленного прохождением тока.
Изобретение также имеет целью обеспечить, по меньшей мере в одном варианте осуществления изобретения, изнашиваемая накладка, позволяющая проводить максимальный ток при распределении тока между составляющими ее материалами, с тем, чтобы ее нагрев был ограничен до уровня, приемлемого для каждого из них, и не достигал порога их разрушения.
4. Сущность изобретения
Для достижения этого изобретение предлагает изнашиваемую накладку пантографного токосъемника, проходящую вдоль продольного направления и содержащую поверхность, называемую токоприемной поверхностью, предназначенную для осуществления контакта с контактным проводом контактной сети, и поверхность, называемую соединительной поверхностью, предназначенную для установки на полоз пантографного токосъемника, отличающуюся тем, что изнашиваемая накладка содержит:
- участок из углерода, так называемый основной участок, проходящий вдоль упомянутого продольного направления, полностью между упомянутой токоприемной поверхностью и упомянутой соединительной поверхностью;
- по меньшей мере один электропроводящий элемент, вставленный в упомянутый основной участок, который проходит, по меньшей мере частично, вдоль упомянутого продольного направления, по меньшей мере частично, между упомянутой токоприемной поверхностью и упомянутой соединительной поверхностью, при этом упомянутый электропроводящий элемент (2) имеет удельное сопротивление, меньшее удельного сопротивления углерода упомянутого основного участка (1), и содержит углерод.
Вставка в изнашиваемую накладку из углерода электропроводящего элемента с удельным сопротивлением, меньшим, чем удельное сопротивление углерода основного участка, позволяет увеличить общую проводимость изнашиваемой накладки. Электропроводящий элемент служит токовым насосом для разгрузки углерода, ограничивая таким образом его износ, вызванный чрезмерным нагревом.
Однако когда элемент, который является гораздо более электропроводящим, чем основной участок изнашиваемой накладки, вставлен в этот последний, то ток проходит преимущественно через более электропроводящий элемент, что может привести к его нагреву, вызывающему расширение, и приводящему вплоть до плавления электропроводящего элемента на контактной поверхности с проводом контактной сети. При использовании электропроводящего элемента, содержащего углерод, общая проводимость электропроводящего элемента является сниженной по сравнению с электропроводящим элементом, выполненным только из чистого металла, такого как медь или алюминий. Таким образом, явление разогрева электропроводящего элемента ограниченно.
Кроме того, поведение тока в пределах изнашиваемой накладки легче моделировать. В случае изнашиваемых накладок из углерода, пропитанного металлом согласно существующему уровню техники, поведение в основном зависит от разбросов, полученных при производстве, т. е. от удельного сопротивления каждого из этих материалов, от пористости углерода, от степени пропитки, от распределения пор углерода по всей изнашиваемой накладке. При достижении высокого уровня температуры изменения характеристик каждого параметра не являются контролируемыми, особенно, когда они влияют на параметры износа. В данном случае в соответствии с изобретением, электропроводящий элемент позволяет разгрузить углерод одной части тока, чтобы таким образом сохранить в углероде уровень температуры, соответствующий стабильным параметрам, не превышающим пределы перегиба характеристики. Влияние чистого углерода понижено, делая моделирование с электропроводящим элементом более надежным.
Другой особенностью изнашиваемой накладки согласно изобретению является то, что этот тип конфигурации дает возможность интегрировать электропроводящий элемент малого объема для получения малой общей массы, позволяя проводить через изнашиваемую накладку максимальный ток в пределах деградаций, приемлемых для каждой из составляющих ее элементов.
Упомянутый основной участок, предпочтительно, проходит по всей длине изнашиваемой накладки.
Основной участок может быть цельным или состоящим из нескольких частей.
Упомянутый основной участок благоприятно выполнен в форме полосы, имеющей поперечный паз, позволяющий осуществлять вставку электропроводящего элемента.
Электропроводящий элемент проходит, по меньшей мере, в своей части вдоль упомянутого продольного направления, то есть, электропроводящий элемент проходит в продольном направлении по меньшей мере на части длины изнашиваемой накладки. Предпочтительно, электропроводящий элемент проходит на три четверти длины изнашиваемой накладки, более предпочтительно - на всю длину изнашиваемой накладки.
Упомянутый основной участок выполнен из углерода. Углерод основного участка, например, выбран из группы, состоящей из углерода, смеси графитового углерода, композитов углерод/углерод и их смесей. Углерод, смесь графитового углерода, композиты углерод/углерод и их смеси могут быть пропитаны или не металлом.
В соответствии с вариантом осуществления упомянутый по меньшей мере один электропроводящий элемент выполнен из сплава, содержащего углерод. Электропроводящий элемент может быть выполнен из чугуна, меди, легированной углеродом, из стали, из легированной стали, из нержавеющей стали и/или из смеси этих материалов. Удельное сопротивление таких сплавов ниже, чем удельное сопротивление углерода, но больше, чем меди или алюминия. Оно находится в диапазоне, который позволяет увеличить общую проводимость изнашиваемой накладки, ограничивая ток, проходящий в электропроводящем элементе на уровне, который позволяет избежать явления, нагрева вследствие его концентрации.
В отличие от меди, чьи механические характеристики (твердость, прочность и т.д.) снижаются уже при 200°C, такие материалы, как легированная медь или чугун обуславливают сохранение механических свойств до более высоких температур.
Кроме того, чистые металлы обладают высокой вероятностью ползучести вследствие трения, что усугубляется нагревом поверхности, которая смещает материал и нарушает целостность сборки электропроводящего элемента и основного участка из углерода. Содержащие углерод сплавы способствуют уменьшению явления ползучести, благодаря хорошим свойствам обрабатываемости. Это особенно касается чугуна, а также стали и их сплавов.
Наконец, материалы, такие как медь, имеют очень неблагоприятные характеристики трения. Легированная углеродом медь улучшает изнашивающую способность. Использование материала на основе сплава, содержащего углерод, такого как сталь и, в частности, чугун, очень благоприятно из-за их содержания углерода.
Процентное содержание углерода электропроводящего элемента, предпочтительно, составляет более 0,01% (в массовых процентах). Это содержание может варьироваться в зависимости от металла сплава. Например, если металл - медь, то, предпочтительно, это может быть сплав, содержащий углерод в диапазоне от 3% до 20%, более предпочтительно - между 10% и 16%, еще более предпочтительно - около 14%. В случае стали процентное содержание углерода обычно составляет между 0,001% и 2%, более предпочтительно - между 0,01 и 0,1%, чтобы избежать закалки. Что касается чугуна, то процентное содержание углерода в нем составляет между 2,1% и 6,67%, более предпочтительно - между 3% и 5%.
В другом варианте осуществления электропроводящий элемент включает в себя по меньшей мере одну первую часть и по меньшей мере одну вторую часть, при этом упомянутая вторая часть состоит из углерода. На самом деле, существуют, в основном, два способа для того, чтобы получить электропроводящий элемент, в котором общее удельное сопротивление меньше, чем удельное сопротивление углерода в упомянутом основном участке, содержащем углерод с целью увеличения общей проводимости изнашиваемой накладки, которой она обладает, ограничивая проходящий по ней ток на уровне, который позволяет избежать явления нагрева. Первый вариант заключается в использовании электропроводящего элемента из металлического сплава, содержащего углерод, - присутствующий в сплаве углерод позволяет увеличить удельное сопротивление металла до идеально порога. Другой вариант заключается в обеспечении электропроводящего элемента, содержащего по меньшей две части: одной части из металла и одной части из углерода, - и в этом случае часть из углерода позволяет увеличить общее удельное сопротивление электропроводящего элемента, чтобы оно находилась в нужном диапазоне, даже если первая часть этого последнего представляет собой чистый металл. Имея электропроводящий элемент из двух частей, можно варьировать размерами каждой из этих двух частей для изменения общей проводимости электропроводящего элемента.
Материалом первой части, предпочтительно, является металл. Например, металл первой части по меньшей мере одного электропроводящего элемента выбран из группы, состоящей из меди, медесодержащих сплавов, железа и железосодержащих сплавов. В одном варианте осуществления для низких удельных сопротивлений материал первой части по меньшей мере одного электропроводящего элемента выбран из меди или ее сплавов, более предпочтительно - из сплавов меди с оловом. Еще более предпочтительно - для промежуточных удельных сопротивлений материал первой части - это сплав, содержащий углерод. Первая часть может быть, например, выполнена из чугуна, меди, легированной углеродом, и из стали, из легированной стали, из нержавеющей стали и/или из смеси этих материалов. Эти материалы имеют более высокую температуру плавления, чем медь и обеспечивает более управляемое распределение тока, чем в первой части с медью.
Электропроводящий элемент, предпочтительно, выходит на упомянутую токоприемную поверхность. Таким образом, электропроводящий элемент находится в прямом контакте с контактным проводом контактной сети. В соответствии с этим вариантом осуществления изнашиваемая накладка может быть легко изготовлена путем выполнения паза в накладке из углерода, такой как накладка из обычного углерода, и вставки в него электропроводящего элемента. Предпочтительно, материал электропроводящего элемента, выходящего на упомянутую токоприемную поверхность, имеет высокую температуру плавления, позволяющую противостоять слиянию контактируемой поверхности с контактным проводом контактной сети. Предпочтительно, материал электропроводящего элемента, выходящего на упомянутую токоприемную поверхность, имеет характеристику механического трения, позволяющую избегать его расползания по этой поверхности под совместным воздействием температуры и трения контактным проводом контактной сети.
В соответствии с одним вариантом исполнения по меньшей мере один электропроводящий элемент полностью проходит между упомянутой токоприемной поверхностью и упомянутой соединительной поверхностью. Таким образом, часть тока может протекать непосредственно из контактного провода контактной сети в токосъемник через электропроводящий элемент с низким сопротивлением.
В соответствии с этим вариантом осуществления основной участок может быть составлен из двух деталей, при этом каждая из деталей основного участка находится по сторонам электропроводящего элемента. Эта конфигурация облегчает создание изнашиваемой накладки, когда электропроводящий элемент полностью проходит между упомянутой токоприемной поверхностью и упомянутой соединительной поверхностью.
В соответствии с одним вариантом осуществления электропроводящий элемент содержит по меньшей мере первую часть, и эта первая часть выходит на токоприемную поверхность. В соответствии с одним вариантом осуществления электропроводящий элемент содержит по меньшей мере, вторую часть, и эта вторая часть выходит на соединительную поверхность. Предпочтительно, материал первой части по меньшей мере одного электропроводящего элемента имеет высокую температуру плавления, позволяющую противостоять слиянию контактируемой поверхности с контактным проводом контактной сети. Предпочтительно, материал первой части по меньшей мере одного электропроводящего элемента имеет характеристику механического трения, позволяющую избегать его расползания по этой поверхности под совместным воздействием температуры и трения контактным проводом контактной сети.
Как правило, первая часть проходит вдоль упомянутого продольного направления. Кроме того, вторая часть, как правило, проходит вдоль упомянутого продольного направления.
Предпочтительно, первая часть и вторая часть электропроводящего элемента находятся в контакте между собой. Таким образом, электропроводящий элемент может содержать первую часть, которая выходит на упомянутую токоприемную поверхность, и вторую часть, находящуюся в контакте с первой частью, и которая, в свою очередь, выходит на упомянутую соединительную поверхность. Каждая из первой и второй частей электропроводящего элемента, таким образом, проходит частично между упомянутой токоприемной поверхностью и упомянутой соединительной поверхностью. Электропроводящий элемент, содержащий первую и вторую части, может, в свою очередь, полностью проходить между упомянутой токоприемной поверхностью и упомянутой соединительной поверхностью.
Чтобы получить желаемый результат, можно варьировать удельным сопротивлением каждой из частей электропроводящего элемента.
В зависимости от варианта, в котором электропроводящий элемент включает в себя первую и вторую часть, материал второй части по меньшей мере одного электропроводящего элемента является углеродом. Высокое удельное сопротивление углерода позволяет компенсировать низкое удельное сопротивление материала первой части электропроводящего элемента, но его малая высота, тем не менее, позволяет получить сопротивление, более слабое, чем сопротивление первой часть электропроводящего элемента. Например, углерод второй части электропроводящего элемента выбирают, таким образом, из группы, состоящей из углерода, смеси графитового углерода, композитов углерод/углерод и их смесей. Углерод, смесь графитового углерода, композиты углерод/углерод и их смеси могут быть пропитаны или не металлом. Вторая часть электропроводящего элемента может быть выполнена из композиционного волокнистого материала, пропитанного металлом или, например, спеченного. Углерод второй части может отличаться от углерода основного участка.
В соответствии с одним вариантом осуществления по меньшей мере один электропроводящий элемент проходит частично между упомянутой токоприемной поверхностью и упомянутой соединительной поверхностью. Предпочтительно, каждый электропроводящий элемент содержит только один материал. Таким образом, электропроводящий элемент, преимущественно, выполнен из сплава, содержащего углерод.
Кроме того, чтобы варьировать удельным сопротивлением различных материалов, для получения нужного распределения тока, можно варьировать размерами электропроводящего элемента и основного участка. Действительно, помимо удельного сопротивления различных материалов, которые их составляют, соответствующие сопротивления электропроводящего элемента и основного участка изнашиваемой накладки зависят также от их размеров, в частности, соответственно, от их толщины и их ширины. Обычно сопротивление электропроводящего элемента и основного участка рассчитывается по формуле Ri= (ρi×Hi)/S, где ρi - это удельное сопротивление, Hi - высота, а S - это сечение. Таким образом, можно получить требуемое сопротивление в зависимости от материала и размеров составляющих изнашиваемой накладки. Однако соответствующие сопротивления основного участка и электропроводящего элемента не являются единственными элементами, которые могут приниматься во внимание. Следует также рассматривать возможности нагрева материалов. Действительно, размеры электропроводящего элемента, предпочтительно, определяются таким образом, чтобы распределение тока между основным участком и электропроводящим элементом соответствовало бы возможности такого нагрева каждого из материалов, при котором они сохраняют свои характеристики без заметной деградации. На практике, после того, как будут определены оптимальные сопротивления, после измерения температуры нагрева могут быть внесены исправления, с тем, чтобы используемые материалы оставались в их температуры пределах, соответствующих сохранению их характеристик.
Длины компонентов изнашиваемой накладки, - ее основного участка и ее электропроводящий элемент определяются в соответствии с продольным направлением, толщинами в направлении, перпендикулярном плоскости токоприемной поверхности и/или соединительной поверхности полоза, ширинами в соответствии с направлением, перпендикулярным продольному направлению и направлению, в котором измеряется толщина.
Таким образом, изнашиваемая накладка имеет толщину, определенную как EB. Толщина EB соответствует расстоянию между токоприемной поверхностью и соединительной поверхностью полоза. Основной участок проходит полностью между упомянутой токоприемной поверхностью и упомянутой соединительной поверхностью, его толщина, поэтому, также составляет EB.
Первая часть электропроводящего элемента имеет толщину, определенную как E1. Вторая часть электропроводящего элемента имеет толщину, определенную как E2. Электропроводящий элемент общую толщину EE, равную сумме Е1 и Е2. Изнашиваемая накладка имеет ширину, определенную как lB. Каждая часть электропроводящего элемента имеет ширину, определенную как lEi. Когда электропроводящий элемент содержит несколько материалов, которые не являются однородными с основным участком из углерода, их ширина может быть различной с целью регулировки сопротивлений или улучшения распределения тепла. Предпочтительно, обе части электропроводящего элемента имеют одну и ту же ширину, определенную как lE.
В соответствии с вариантом осуществления доля каждой толщины E1i в толщине EB заключена между 50% и 100%. Такое соотношение между ними позволяет обеспечить управляемое распределение тока между электропроводящим элементом и основным участком изнашиваемой накладки.
В соответствии с вариантом осуществления отношение суммы ширин lEi каждого электропроводящего элемента к ширине lB заключено в диапазоне от 5% до 25%, предпочтительно, между 5% и 15%. Это отношение позволяет осуществлять управляемое распределение тока между электропроводящим элементом и основным участком изнашиваемой накладки, полностью сохраняя преобладание выполненной из углерода упомянутой токоприемной поверхности. Таким образом обусловленный углеродом смазывающий эффект от провода контактной сети сохраняется, а износ изнашиваемой накладки ограничен.
Изнашиваемая накладка может содержать один, два, три или более электропроводящих элементов. Предпочтительно, изнашиваемая накладка включает в себя только один электропроводящий элемент.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, по меньшей мере один электропроводящий элемент представляет собой вставку.
Изобретение относится также к пантографному токосъемнику, содержащему по меньшей мере одну изнашиваемую накладку согласно изобретению.
5. Краткое описание чертежей
Другие цели, характеристики и преимущества изобретения станут очевидными по прочтении нижеследующего описания, приведенного лишь в не ограничительных целях, со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
- фигура 1 представляет собой схематичный вид сбоку изнашиваемой накладки, установленной на опорном коллекторе полоза в соответствии с вариантом осуществления изобретения,
- фигура 2 представляет собой схематичный вид токоприемной поверхности изнашиваемой накладки в соответствии с вариантом осуществления изобретения,
- фигуры с 3 по 8 представляют собой схематичные виды в разрезе изнашиваемой накладки, установленной на опорном коллекторе полоза в соответствии с различными вариантами осуществления изобретения.
6. Подробное описание вариантов осуществления изобретения
На чертежах для лучшей иллюстрации и ясности нет строго соблюдения масштабов и пропорций.
На фигуре 1 изнашиваемая накладка представлена установленной на опорном коллекторе 5 полоза. Она проходит в продольном направлении. Изнашиваемая накладка включает в себя, в частности, токоприемную поверхность 3 и соединительную поверхность 4. Токоприемная поверхность 3 предназначена для осуществления контакта с проводом контактной сети. Соединительная поверхность 4 предназначена для обеспечения прохождения тока от изнашиваемой накладки к опорному коллектору 5, который служит опорой для изнашиваемой накладки 1, и стыковочной поверхностью с полозом пантографного токосъемника. Более точно, как показано на фигуре 1, соединительная поверхность 4 стыкуется с опорным коллектором 5 полоза, с которым она соединена приклеиванием. Опорный коллектор 5 включает в себя токоприемники 6.
Изнашиваемая накладка включает в себя выполненный из углерода основной участок 1 и электропроводящий элемент 2 из материала, удельное сопротивление которого меньше, чем удельное сопротивление материал основного участка.
Основной участок полностью проходит между токоприемной поверхностью 3 и соединительной поверхностью 4. Кроме того, основной участок полностью проходит по всей длине изнашиваемой накладки.
Электропроводящий элемент 2 вставлен в основной участок 1. Этот электропроводящий элемент 2 соединен с последним посредством винта 7. Точно так же, как изнашиваемая накладка и основной участок, который ее составляет, электропроводящий элемент 2 имеет удлиненную форму. На фигуре 1 электропроводящий элемент центрирован по отношению к изнашиваемой накладке. В соответствии с другим, не проиллюстрированным здесь вариантом осуществления, он также может быть также смещенным относительно центра. Электропроводящий элемент проходит в продольном направлении по большей части последнего. В соответствии не представленным здесь вариантом осуществления электропроводящий элемент может проходить по всей его длине. Электропроводящий элемент 2 проходит частично между токоприемной поверхностью 3 и соединительной поверхностью 4. Электропроводящий элемент 2, представленный на фигуре 1, выходит на токоприемную поверхность 3.
Фигура 2 представляет собой вид сверху изнашиваемой накладки, показанной на фигуре 1. Она представляет схематичный вид токоприемной поверхности 3. Токоприемная поверхность изнашиваемой накладки является прямоугольной. В соответствии с другим, не представленным здесь вариантом осуществления, изнашиваемая накладка может быть не прямоугольной. Она, в частности, может иметь достаточно длинные фаски, которые утончают ее концы. Поверхность электропроводящего элемента 2, выходящая на токоприемную поверхность 3, проходит в продольном направлении в виде узкой полосы внутри изнашиваемой накладки. Она также является прямоугольной. Таким образом, токоприемная поверхность включает в себя поверхность основного участка изнашиваемой накладки. Эта поверхность основного участка изнашиваемой накладки является прямоугольной. Точно так же, как и изнашиваемая накладка, основной участок в соответствии с другим, не представленным здесь вариантом осуществления, может быть не прямоугольным. Он имеет паз, через который выходит электропроводящий элемент.
Фигуры с 3 по 6 представляют собой схематичные виды в разрезе различных вариантов осуществления изнашиваемой накладки по настоящему изобретению. На этих фигурах изнашиваемая накладка содержит основной участок 1 и один электропроводящий элемент 2. Здесь толщина изнашиваемой накладки представлена ссылочной позицией EB, ее ширина - позицией lB. Толщина первой части 8 электропроводящего элемента 2 представлена на них позицией E1, а толщина второй части 9, если она присутствует, представлена ссылочной позицией E2.
На фигуре 3 показан вариант осуществления изобретения, в котором изнашиваемая накладка содержит электропроводящий элемент 2, выполненный из одного материала, и который проходит частично между токоприемной поверхностью 3 и соединительной поверхностью 4, не входя в контакт с опорным коллектором 5. Электропроводящий элемент 2 образован только одной первой частью из материала с более низким удельным сопротивлением, чем выполненный из углерода и содержащий углерод основной участок 1, такого, как материал на основе меди, легированной углеродом, сталь или чугун. Он выходит на токоприемную поверхность 3, но не выходит на соединительную поверхность 4. Таким образом, часть тока, который проходит от токоприемной поверхности по электропроводящему элементу 2, для того чтобы достичь соединительной поверхности 4, должна проходить по выполненному из углерода основному участку. Проход через эту зону высокого удельного сопротивления уменьшает плотность тока в электропроводящем элементе 2 и, как следствие, снижает его нагрев. При этом улучшается распределение тока и, таким образом, - нагрев - между основным участком 1 и электропроводящим элементом 2. Небольшая толщина основного участка 1 в зоне с электропроводящим элементом соответствует более низкому сопротивлению, чем сопротивление в зоне полной толщины основного участка.
На фигуре 4 показан вариант осуществления изобретения, в котором изнашиваемая накладка содержит электропроводящий элемент 2 из двух различных материалов. Этот электропроводящий элемент 2 проходит полностью между токоприемной поверхностью 3 и соединительной поверхностью 4. Электропроводящий элемент 2 содержит первую часть 8, и вторую часть 9. Первая и вторая части электропроводящего элемента 2 имеют одинаковую ширину lE. Первая часть 8 выполнена из материала с более низким удельным сопротивлением, чем углерод, из такого, как сплавы на основе меди или железа или сплавов, содержащих углерод, такие как чугун или сталь. Вторая часть 9 - выполнена из материала, удельное сопротивление которого больше, чем удельное сопротивление материала первой части 8, например, из углерода различного вида или из углерода основного участка 1, или же из композиционного волокнистого материала, или, например, из металлического спеченного материала. Первая часть 8 выходит на токоприемную поверхность 3 и входит в контакт со второй частью 9 электропроводящего элемента 2. Вторая часть 9 выходит на соединительную поверхность 4. Как и в варианте осуществления, показанном на фигуре 3, проход тока через эту зону с промежуточным удельным сопротивлением уменьшает плотность тока в электропроводящем элементе 8 и, как следствие, уменьшает его нагрев. Таким образом, в этом случае осуществляется лучшее управление распределением тока между основным участком 1 и электропроводящим элементом 2 и, следовательно, - нагревом.
Как и фигура 4, фигура 5 представляет вариант осуществления изобретения, в котором изнашиваемая накладка содержит электропроводящий элемент 2, выполненный из двух различных материалов. Электропроводящий элемент 2 проходит полностью между токоприемной поверхностью 3 и соединительной поверхностью 4. Электропроводящий элемент 2 содержит первую часть 8, и вторую часть 9, при этом вторая часть выполнена из углерода. Однако, в отличие от варианта осуществления, проиллюстрированного фигурой 4, на фигуре 5 первая и вторая части электропроводящего элемента 2 не имеют одну и ту же ширину. Ширина lE2 второй части 9 электропроводящего элемента больше, чем ширина lE1 первой части 8 электропроводящего элемента. Обеим частям 8 и 9 электропроводящего элемента приданы такие размеры, чтобы распределение тока между основным участком 1 и электропроводящим элементом 2 было настраиваемым и управляемым.
На фигуре 6 показан вариант осуществления изобретения, в котором изнашиваемая накладка включает в себя электропроводящий элемент 2, выполненный из одного материала, и который проходит полностью между токоприемной поверхностью 3 и соединительной поверхностью 4. Электропроводящий элемент 2 состоит только из одной части и образован из сплава, содержащего углерод. Он выходит одновременно и на токоприемную поверхность 3, и на соединительную поверхность 4. Предпочтительно, этот материал имеет такое удельное сопротивление, что его влияние позволяет принуждать часть тока проходить через основной участок из углерода. Таким образом, этот материал, предпочтительно, является чугуном или спеченными сплавами на основе углерода, или композиционными материалами на основе углеродного волокна, заполненного металлом. Уровень проходящего тока определяют ширина электропроводящего элемента 2, его удельное сопротивление и материал. Помимо удельного сопротивления, одним из критериев выбора материала является его способность не вытекать на токоприемную поверхность под воздействием нагрева в сочетании с механическим сопротивлением провода контактной сети. Так, чистая медь имеет очень низкое удельное сопротивление, но и достаточно низкую температуру плавления и под механическим воздействием легко "растекается". Легированная медь имеет низкое удельное сопротивление, но при этом более высокую температуру плавления и под механическим воздействием растекается менее легко. Сталь имеет более высокое удельное сопротивление, чем медь, высокую температуру плавления и под механическим воздействием растекается менее легко. Чугун представляет достаточно высокое удельное сопротивление и высокую температуру плавления, и под механически воздействием ползучести не имеет.
Фигуры 7 и 8 представляют собой схематичные виды справа сечения винта 7 различных вариантов осуществления изнашиваемой накладки по настоящему изобретению.
Фигура 7 показывает тот же самый вариант осуществления, что и показанный на фигуре 3, в котором изнашиваемая накладка содержит основной участок 1 и электропроводящий элемент 2. Электропроводящий элемент 2 выполнен из одного материала и проходит частично между токоприемной поверхностью 3 и соединительной поверхностью 4. Для того, чтобы винт 7 не находился в электрическом контакте с опорным коллектором 5 полоза или c основным участком изнашиваемой накладки и не закорачивал путь тока, в опорном коллекторе 5 выполнено большое отверстие, а в основном участке 1 - выточка 11, чтобы уменьшить вероятность короткого замыкания между винтом 7 и опорным коллектором 5. Кроме того, винт 7 посредством изолятора 10 электрически изолирован от опорного коллектора 5.
Фигура 8 показывает тот же самый вариант осуществления, что и фигура 5, в котором изнашиваемая накладка содержит основной участок 1 и электропроводящий элемент 2. Электропроводящий элемент 2 выполнен из одного материала, который полностью проходит между токоприемной поверхностью 3 и соединительной поверхностью 4. В соответствии с этим вариантом осуществления часть тока может протекать от токоприемной поверхности 3 к соединительной поверхности 4 только через электропроводящий элемент 2 с промежуточным удельным сопротивлением, заключенным между удельным сопротивлением углерода и удельным сопротивлением меди или стали. Поэтому нет никакой необходимости изолировать винт 7 так, чтобы он не участвовал в проводимости тока.
7. Примеры
Чтобы проиллюстрировать в упрощенном виде свойства изнашиваемой накладки по настоящему изобретению, было схематично смоделировано распределение тока между основным участком и электропроводящим элементом изнашиваемой накладки для изнашиваемых накладок с электропроводящими элементами различных размеров и из различных материалов.
С этой целью было предположено, что опорная поверхность контактного провода соответствует ширине lB изнашиваемой накладки и ширине lE электропроводящего элемента, эквивалентной ширине пятна трения контактного провода (например, 6 мм), и что в опорный коллектор 5 полоза из провода контактной сети проходит базовый ток в 1000 А.
Величины сопротивлений рассчитываются следующим образом: Ri=(ρi×Hi)/S, при этом удельное сопротивление материалов выражено в Ом⋅м (ρ).
Удельные сопротивления различных материалов приведены в нижеследующей таблице 1.
Таблица 1
| Удельное сопротивление электропроводящего элемента из меди при 20°С | 1,640E-11 Ом⋅мм | 1,640E-02 мкОм⋅м |
| Удельное сопротивление электропроводящего элемента из меди при 150°С | 2,470E-11 Ом⋅мм | 2,470E-02 мкОм⋅м |
| Удельное сопротивление нового углерода при 20°С | 8,190E-09 Ом⋅мм | 8,190E+00 мкОм⋅м |
| Удельное сопротивление нового углерода при 150°С | 9,190E-09 Ом⋅мм | 9,190E+00 мкОм⋅м |
| Удельное сопротивление электропроводящего элемента из стали при 20°С | 9,87Е-11 Ом⋅мм | 9,870E-02 мкОм⋅м |
| Удельное сопротивление электропроводящего элемента из нержавеющей стали при 20°С | 5,50E-10 Ом⋅мм | 5,500E-01 мкОм⋅м |
| Удельное сопротивление электропроводящего элемента из чугуна при 20°С | 1,00 E-09 Ом⋅мм | 1,000E+00 мкОм⋅м |
Чтобы упростить объяснение влияния самого материала и его размеров, текучесть материалов, увеличение сопротивления под воздействием нагрева и контактное взаимодействие между материалами во внимание не принимались.
7.1 Электропроводящий элемент из чистой меди
Ниже в таблице 2 приведено теоретическое соотношение между током, проходящим через основной участок и электропроводящий элемент, полученное, исходя из электропроводящего элемента из чистой меди, проходящего полностью между контактной поверхностью и опорным коллектором.
Таблица 2
| Характеристика электропроводящего элемента |
Часть тока, проходящая через основной участок из углерода (1) | Часть тока, проходящая через электропроводящий элемент (2) |
| Электропроводящий элемент из меди Ex lE=6 мм и Ex E1=30 мм |
<15% | >85% |
Ясно видно, что электропроводящий элемент будет нагреваться и размягчится, поскольку он пропускает слишком высокий ток, которого через углерод проходит слишком мало. Общая величина не оптимизирована.
7.2 Электропроводящий элемент, содержащий 1-ю и 2-ю части, при этом 1-я часть выполнена из меди, а 2-я часть выполнена из углерода
Ниже в таблице 3 приведено теоретическое соотношение между током, проходящим через основной участок и через электропроводящий элемент.
Таблица 3
| Характеристики электропроводящего элемента |
Часть тока, проходящая через основной участок из углерода (1) | Часть тока, проходящая через электропроводящий элемент (2) | ||
| Электропроводящий элемент lE=6 мм |
1-я часть | Медь Ex E1=25 мм |
55% | 45% |
| 2-я часть | Углерод Ex E2 =5 мм |
|||
| Электропроводящий элемент lE=6 мм |
1-я часть | Медь Ex E1=28 мм |
35% | 65% |
| 2-я часть | Углерод Ex E2 =2 мм |
|||
| Электропроводящий элемент lE=6 мм |
1-я часть | Медь Ex E1=26,8 мм |
45% | 55% |
| 2-я часть | Углерод Ex E2 =3,2 мм |
|||
| Электропроводящий элемент lE=10 мм |
1-я часть | Медь Ex E1=25 мм |
40% | 60% |
| 2-я часть | Углерод Ex E2 =5 мм |
Таким образом, толщина электропроводящего элемента и, в частности, 2-й части последнего, представляет собой очень важный фактор. То же самое относится к ширине электропроводящего элемента. Изменяя размеры электропроводящего элемента, можно регулировать распределение тока между основным участком и электропроводящим элементом, чтобы контролировать уровень нагрева в соответствии с характеристиками рассматриваемых материалов.
7.3 Электропроводящий элемент, содержащий 1-ю и 2-ю части, при этом 1-я часть выполнена из стали, а 2-я часть выполнена из углерода
Электропроводящий элемент может быть выполнен также из стали, удельное сопротивление которой составляет порядка 9,8×10-11 Ом⋅м, то есть она в 6 раз более проводящая, что медь (1,6×10-11 Ом⋅м), но, пропорционально незначительно по сравнению с углеродом (8,2×10-9 Ом⋅м).
Таблица 4
| Характеристики электропроводящего элемента |
Часть тока, проходящая через основной участок из углерода | Часть тока, проходящая через электропроводящий элемент | ||
| Электропроводящий элемент lE=6 мм |
1-я часть | Сталь Ex E1=25 мм |
56% | 44% |
| 2-я часть | Углерод Ex E2 =5 мм |
|||
| Электропроводящий элемент lE=6 мм |
1-я часть | Сталь Ex E1=27 мм |
45% | 55% |
| 2-я часть | Углерод Ex E2 =3 мм |
Таким образом, сталь, которая оказывает существенное влияние по сравнению с медью, не изменяет принципиально архитектуры изнашиваемой накладки. В этом случае распределение тока управляемо.
7.4 Электропроводящий элемент содержит один элемент из одной части, материал которой - чугун
Электропроводящий элемент может быть выполнен также из чугуна. Чугун, что интересно, представляет промежуточное удельное сопротивление (1×10-9 Ом⋅м), что позволяет лучше распределять токи между основным участком и электропроводящим элементом, при этом не обязательно, чтобы электропроводящий элемент быть выполнен из двух частей, в отличие от электропроводящего элемента из меди.
Таблица 5
| Характеристики электропроводящего элемента |
Часть тока, проходящая через основной участок из углерода | Часть тока, проходящая через электропроводящий элемент | ||
| Электропроводящий элемент lE=6 мм |
1-я часть | Чугун Ex E1=30 мм |
45% | 55% |
| 2-я часть | - Ex E2 =0 мм |
Из вышеприведенных примеров видно, что удельное сопротивление материала является доминирующим фактором при определении типа и размеров сборки (низкое или среднее удельное сопротивление электропроводящего элемента со второй частью, выполненной из углерода, среднее удельное сопротивление сборки с встроенным электропроводящим элементом).
Наличие электропроводящего элемента имеет главной целью - отвести часть тока, проходящего через электропроводящий элемент, для ограничения его нагрева, поскольку это приводит к разрушению материала, следствием чего является преждевременный износ изнашиваемой накладки. Мы не стремились обязательно получить 50%-е распределение, поскольку приемлемые уровни индуцированного током нагрева для основного участка и для изнашиваемой накладки не являются одинаковыми (порядка 250° для основного участка и более 800° для электропроводящего элемента). Таким образом, после определения размеров, исходя из расчета сопротивлений, окончательные размеры каждого из элементов в зависимости от создающего нагрев сопротивления и ограничений, обусловленных разрушением материала, будут определяться уровнем индуцированной температуры и взаимодействием между материалами,
Интересная особенность этих типов конфигураций заключается в том, что они позволяют объединять между собой вставки самой малой величины для получения результирующей низкой массы, позволяя проводить через этот сборный комплект максимальный ток в приемлемых пределах, исключающих разрушение каждого из материалов.
7.5 Физические характеристики материалов электропроводящего элемента
Среди физических характеристик, помимо основной, - удельного сопротивления материалов и (или) семейства рассмотренных материалов, существуют физические характеристики, которые представляют собой преимущества или недостатки в том их применении, которое здесь рассмотрено. Наиболее критическими факторами являются способность сохранять механические характеристики под действием температуры, обрабатываемость, а также способность сохранять хороший коэффициент трения.
Нагрев
Одна из основных проблем заключается в термическом разрушении электропроводящего элемента под действием тока в интерфейсной области с контактной сетью. Это особенно очевидно в случае с медью, которая теряет свои механические характеристики (твердость, прочность) уже при 200°C.
Инновационные решения заключаются в том, чтобы легировать медь материалами, привносящими в нее углерод, позволяя поддерживать характеристики вплоть до температур, значительно более высоких (см. таблицу 6). Также интересны другие варианты, например, использование чугуна, который имеет более высокие допустимые температуры.
Обрабатываемость
Еще одним недостатком металлических материалов, проявляющимся в контакте трения с другим материалом, является обусловленная трением ползучесть, которая усугубляется нагревом поверхности, - она смещает материал и деформирует сборку электропроводящего элемента и основного участка из углерода. Внесение углерода позволяет уменьшить это явление, благодаря его хорошим свойствам обрабатываемости. Использование стали и ее сплавов также снижает это явление вследствие высокого порога потерь характеристик, - выше 1000°C. Особенно привлекательным по своим характеристикам обрабатываемости является чугун.
Трение
Обычные материалы со своими характеристиками трения хорошо известны. Из материалов, представленных в качестве примера, ясно видно, что медь против меди контактной сети представляет собой очень плохой вариант. Медь, легированная углеродом улучшает способность к износу.
С другой стороны, использование материала на основе железа, например, мягкой стали, является более благоприятным, и в частности, - чугуна, благодаря повышенному содержанию углерода.
Таблица 6
| Материал | Удельное сопротивление | Содержание углерода | Температура размягчения при нагреве | Склонность к истиранию | Уровень интереса |
| Углерод, легированный медью | 8,19 E-9 | 80% | <500° (разложение и сублимация) 200° (медь заполнения) |
9/10 | Основной участок |
| Чугун | 1 E-9 | 4% | >1000° | 6/10 | **** |
| Сталь | 0,0987 E-9 | 1% | >1000° | 4/10 | ** |
| Медь легированная | 0,015 E-9 | 14% | 800° | 3/10 | *** |
| Медь чистая | 0,0164 E-9 | 0% | 200° | 1/10 | * |
Вполне ясно видно, что для материалов, которые обеспечивают приемлемую пригодность для их использования, чистая медь не является идеальной. Наличие углерода в обычных металлических материалах, таким образом, является важным элементом обеспечения хороших характеристик вставки, начиная с момента, когда он позволяет:
- сохранять механические характеристики основных материалов при высоких температурах (800°C/1000°C),
- сохранять хорошую обрабатываемость основного материала,
- улучшать коэффициент трения основного материала.
1. Изнашиваемая накладка пантографного токосъемника, проходящая вдоль продольного направления и содержащая поверхность, называемую токоприемной поверхностью (3), предназначенную для осуществления контакта с контактным проводом контактной сети, и поверхность, называемую соединительной поверхностью (4), предназначенную для установки на полоз пантографного токосъемника, отличающаяся тем, что изнашиваемая накладка содержит:
- участок из углерода, называемый основным участком (1), проходящий вдоль упомянутого продольного направления, полностью между упомянутой токоприемной поверхностью и упомянутой соединительной поверхностью;
- по меньшей мере один электропроводящий элемент (2), вставленный в упомянутый основной участок, который проходит, по меньшей мере частично, вдоль упомянутого продольного направления, по меньшей мере частично между упомянутой токоприемной поверхностью (3) и упомянутой соединительной поверхностью (4), при этом упомянутый электропроводящий элемент (2) имеет удельное сопротивление, меньшее удельного сопротивления углерода упомянутого основного участка (1), и содержит углерод.
2. Изнашиваемая накладка по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один электропроводящий элемент (2) проходит полностью между упомянутой токоприемной поверхностью (3) и упомянутой соединительной поверхностью (4).
3. Изнашиваемая накладка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что
- основной участок (1) является цельным
или
- основной участок (1) составлен из двух деталей, при этом каждая из деталей основного участка (1) находится по сторонам электропроводящего элемента (2), причем этот электропроводящий элемент (2) проходит полностью между токоприемной поверхностью (3) и упомянутой соединительной поверхностью (4).
4. Изнашиваемая накладка по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что упомянутый по меньшей мере один электропроводящий элемент выполнен из сплава, содержащего углерод, предпочтительно из чугуна, из меди, легированной углеродом, из стали, из легированной стали, из нержавеющей стали и/или смеси этих материалов.
5. Изнашиваемая накладка по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что электропроводящий элемент (2) содержит по меньшей мере одну первую часть и по меньшей мере одну вторую часть, причем упомянутая вторая часть (9) выполнена из углерода.
6. Изнашиваемая накладка по п. 5, отличающаяся тем, что упомянутая первая часть (8) выходит на упомянутую токоприемную поверхность (3), а упомянутая вторая часть (9) выходит на упомянутую соединительную поверхность (4).
7. Изнашиваемая накладка по п. 5 или 6, отличающаяся тем, что материал первой части (8) по меньшей мере одного электропроводящего элемента (2) представляет собой металл, предпочтительно сплав, содержащий углерод.
8. Изнашиваемая накладка по одному из пп. 1-7, отличающаяся тем, что она содержит один электропроводящий элемент (2).
9. Изнашиваемая накладка по одному из пп. 1-8, отличающаяся тем, что сумма ширин каждого электропроводящего элемента составляет между 5% и 25% от ширины изнашиваемой накладки.
10. Пантографный токосъемник, содержащий по меньшей мере одну изнашиваемую накладку по одному из пп. 1-9.
