Струмоприймач трамвая, конструкція

[Kozak]

Струмоприймачі транспортних засобів – це пристрої, що використовуються для рухомого з'єднання контактної лінії живлячої мережі з головним електричним колом тягового транспортного засобу

Струмоприймачі (струмознімачі), що використовуються в рейкових транспортних засобах, поділяються на верхні (для збору енергії з верхнього контактного дроту або рейки), та нижні (здійснюють збір з нижньої мережі, наприклад третьої рейки).
Верхні струмоприймачі є найпопулярнішими в трамвайному транспорті. Нижні струмоприймачі використовуються переважно на лініях метро та швидкісних залізницях, де інфраструктура недоступна для громадськості.

Перші конструктивні рішення для струмоприймачів рейкових транспортних засобів були використані в трамваях, оскільки саме в міському транспорті вперше розвинулася електрична тяга.
Спочатку на вагонах використовувалися стрижневі струмоприймачі. Модернізацією цієї конструкції став дуговий струмоприймач "бугель", в якому шків або коник замінювався поперечною ковзною смугою. Використання поперечної ковзної смуги усунуло проблему переїздів та стрілок, де башмак струмознімачів плавно переходив від провідника до провідника. Конструкція поперечної ковзної смуги в струмознімачах збереглася донині та є єдиною оптимальною конструкцією, що забезпечує безперервний збір енергії під час руху звичайного рейкового транспортного засобу.
Революцією в конструкції струмознімачів стала конструкція з шарнірною рамою, заснованою на роботі механізму пантографа (звідси назва "пантограф"). Більш гнучка конструкція дозволила значно збільшити швидкість руху, зберігаючи при цьому відповідні параметри динамічної взаємодії з контактним дротом, довговічність та забезпечуючи рівномірні робочі параметри під час руху в обох напрямках.



Джерело фото: https://alltransua.com/gallery/photo/19222, https://alltransua.com/gallery/photo/403287, https://alltransua.com/gallery/photo/155395, https://alltransua.com/gallery/photo/279577.

[Kozak]

Візкові струмоприймачі.

Найперші пристрої, конструкція яких базувалася на візку, оснащеному роликами (дисками), що котилися зверху повітряного проводу. Візок, у свою чергу, з'єднаний з транспортним засобом тросом. Трамвай, коли рухався, тягнув за собою візок, який збирав електроенергію з повітряного проводу.
Недоліки цього рішення аналогічні недолікам штангових, додатково існувала проблема нерівномірного ходу візка відносно швидкості транспортного засобу та недостатньої плавності збору енергії. "Плавність" пов'язана з контактом між роликами та дротом, непостійний тиск візка на повітряний провід досягався просто силою тяжіння.

[Kozak]

Штангові струмоприймачі.

Пристрої, в яких стрижень, встановлений на даху транспортного засобу, закінчується диском (роликовий колектор) або головкою (ковшовий колектор). У першому випадку ролик притискається до повітряного проводу. У ковшовій конструкції головка відповідної форми (U-подібна) притискається та ковзає вздовж повітряної лінії. Пружина, встановлена ​​між нижньою основою струмознімача та стрижнем, створює постійний тиск між верхнім кінцем штанги і повітряною лінією.
Основним недоліком цієї конструкції є необхідність (у місцях розгалужуються колії, а отже, і контактного дроту) використання стрілочних перемикачів у повітряній лінії. "Стрілка" дозволяє ролику або ковшу колектора переміщатися на вибрану повітряну лінію у напрямку руху вздовж колії, вона дозволяє рух лише в одному напрямку. За відсутності петлі зміна напрямку на протилежний вимагає використання окремого механізму, який дозволяє обертати штангу у потрібний бік.
Крім того, конструкція з диском створює проблему зі способом передачі електричної енергії від обертового ролика до стрижня. Необхідно використовувати систему щіток (контактів), які труться об диск, забезпечуючи таким чином потік електричної енергії, минаючи підшипник. Результатом цього контакту із тертям є знос компонентів, що вимагає технічного обслуговування та ремонту, а також зайві пошкодження та виходи з ладу.

[TANK]

странно, но гугл не нашел еще один вариант токосьема - полая труба с прорезью снизу, внутри ползет "пуля", которую за собой по трубе тянет трамвай. Благдаря компактрости - были и двухполюсные, что на заре электротранспорта было важно для "общественного спокойствия". Видел такое в музее транспорта франкфурта/майн (в шванхайме).

[Kozak]

Цікава річь, вперше про неї чую. Завдяки вказаній локації музею знайшов, але без опису (треба знайти пізніше).

[Kozak]

Щілинна трубна повітряна лінія (Schlitzrohrfahrleitung).

Експериментальна, але практично застосована, система контактної лінії та струмоприймача. Складалася з однієї або двох жорстких трубок, встановлених вище рівня голови або транспортного засобу, з прорізами (щілинами) на нижній стороні, які всередині містили спеціальні поздовжньо рухомі металеві струмоприймачі (контактні човни) для транспортного засобу, що тягнув їх на тросах або стрижнях. На роз'їздах використовувалися спеціальні стрілочні переводи, які були з'єднані зі стрілочними переводами рейок. Через те, що технологія виявилася занадто складною (все ще розвивалася), під час експлуатації виникали несправності, наприклад контактні смуги випадали з мідних трубок. Інші недоліки цього рішення аналогічні недолікам візкових струмоприймачів.

Ця система була представлена на Міжнародній виставці електроенергії 1881 в Парижі. Практично використовувалася лише на трьох лініях: Медлінг-Гінтербрюль (Австрія), Франкфурт-Оффенбах (FOTG, Німечина), Веве-Шиллон (Швейцарія). При реконструкціях швидко (~10 років) була замінена на простішу систему з одним дротом.

Більше інформації (і фотографій) про одну з таких систем (FOTG): Трамвай у Франкфурт-на-Майні.

[Kozak]

Дугові струмоприймачі.

Ліроподібні (дугові) струмоприймачі (бугель) оснащені поперечною ковзною планкою, яка контактує з контактним дротом. Завдяки такій формі ковзання дріт не затискається краями колеса або краями ковзного башмака. Дріт може вільно рухатися в межах ковзної зони, що, забезпечуючи відповідний тиск, значно покращуює взаємодію струмознімачів з мережею та потік електроенергії.
Важливо, що це забезпечує безперешкодне переміщення під гілками мережі, оскільки ковзна планка із боковими направляючими може легко переходити убік з одного дроту на інший, тобто усуває необхідність використання перемикачів для роботи у вибраному напрямку над колійними стрілками. Обговорюваний метод взаємодії між контактним колодкою та контактним дротом наразі є поширеним рішенням у всіх сучасних струмознімачах.
Через жорсткий важіль двонаправлений рух трамвая (без використання петлі) проблематичний, рух назад призвів би до швидшого зносу контактних колодок, що призвело би до пошкодження бугеля і розриву мережі, тому необхідно використовувати спеціальні заходи, як для штангових струмоприймачів.

Рішення 1 - впровадження підвіски контактного дроту на кінцях ділянки мережі, що збільшує її висоту, щоб струмознімач обертався відповідно до напрямку руху через вертикальну точку.
Рішення 2 - конструкція струмознімача, яка дозволяє йому горизонтально обертатися на 180 градусів.

Обертова основа бугеля, що забезпечує двонаправлений рух трамвая.

Позначення: A - кронштейни для монтажу на дах, B - поворотна плита для роликів, C - ролики обертання, D - основний корпус, E - притискна пружина, F - верхні стійки, G - бокові струмові зв'язки.

[Kozak]

Пантографічні струмоприймачі.
Пантографи (назва на основі механізму для креслення) зазвичай експлуатуються в сучасних трамваях.
Цей тип відповідає сучасним вимогам для струмозбирачів, а саме: габаритна компактність, мала вага, низька інерція, гнучкість конструкції, висока поперечна стійкість, низький аеродинамічний опір, рівномірні динамічні параметри незалежно від напрямку руху, рівномірна контактна сила до дроту живлення на всіх робочих висотах, низький опір електриці.

Позначення: A - контактна планка, B - шарнірна рама, C - основа, D - опорні ізолятори, E - дах трамвая.

Зараз розрізняють три варіанти:
а) чотириплечий симетричний (ножичний) - пантограф старішого типу у формі двох п'ятикутників, з'єднаних поперечинами,
б) двоплечий симетричний (віденський) - пантограф середнього типу у формі п'ятикутника з одинарними нижніми плечима,
в) одноплечий асиметричний (напівпантограф) - пантограф новішого типу у формі, яка кінематично створює два чотирикутники при вигляді з боків.
На початку розвитку їх було більше: з розширеною лірою, з трикутною рамою, з роликовим струмозбірником та інші.
Фото 1906, 1906, 1895 років.

[Kozak]

Чотириплечі пантографи.
Ножичні пантографи характеризуються високою конструктивною масою та великою кількістю точок тертя. Ці два основні недоліки призводять до низької продуктивності колектора. Перевагою таких конструкцій є висока поперечна стійкість завдяки чотириточковій опорі шарнірної рами біля основи. Чим більша маса та тертя, тим більше інерція, а отже, тим гірше взаємодія з контактним дротом, що важливо на високих швидкостях.

Позначення: 1 - ковзна планка, 2 - верхні важелі шарнірної рами, 3 - нижні важелі, 4 - основа, 5 - приводна пружина, 6 - байпасні з'єднувачі, 7 - вирівнювальний механізм.

Спочатку чотириплечі струмознімачі використовували жорсткий колектор, тобто такий, що не був гнучко закріплений на шарнірній рамі, а сама конструкція пантографа була важкою. Це призводило до погіршення робочих параметрів з точки зору взаємодії з мережею. Подальша розробка призвела до впровадження гнучкого колектора та зменшення ваги. Гнучкі колектори спочатку використовували дугові або рамні системи, встановлені на шарнірній рамі. Кріплення рами до колектора підтримувалося пружинним механізмом, який встановлений між плечима шарнірної та рамою колектора. Пізніші конструкції наблизилися до тих, що використовуються в сучасних напівпантографах.

Позначення: 1 - ковзна планка, 2 - верхні важелі шарнірної рами, 2а - діагональний зв'язок верхніх важелів, 3 - нижні важелі, 4 - приводна пружина, 5 - основа.

[Kozak]

Двоплечеві пантографи.
Віденські пантографи були розроблені для зменшення ваги конструкції порівняно з пантографами ножичного типу. Вони складаються з двох шарнірних рам, розташованих симетрично. Нижні плечі є одинарними, тоді як верхні плечі у конфігурації букви "V". Виключення "зайвих" нижніх плечей зменшило вагу та покращило аєродинаміку, але збільшило ризик зниження поперечної стійкості.

Позначення: 1 - ковзна планка, 2 - верхні плечі шарнірної рами, 3 - нижні плечі, 4 - основа, 5 - приводна пружина, 6 - байпасні з'єднувачі, 7 - механізм вирівнювання.

Щоб зменшити вагу та аеродинамічний опір, конструктори прагнуть спроектувати пантографи якомога легшими, зберігаючи при цьому відповідні міцнісні та експлуатаційні параметри, що стало можливим з новими матеріалами.

Позначення: 1 - ковзна планка, 2 - верхні плечі шарнірної рами, 3 - нижні плечі, 4 - приводна пружина, 5 - основа, 6 - механізм вирівнювання, 7 - байпасні з'єднувачі.

[Kozak]

Одноплечові пантографи.

Позначення: 1 - ковзна планка, 2 - верхні плечі шарнірної рами, 3 - нижнє плече, 4 - направляюча верхніх плеч, 5 - направляюча ковзної планки, 6 - основа, 7 - приводна пружина, 8 - байпасні з'єднувачі.

Напівпантографи використовують єдину шарнірну раму, що підтримується напрямними, що значно зменшує вагу та робить конструкцію більш гнучкою. Їх назва походить від зовнішнього вигляду, а саме від їх асиметричного вигляду з боків, становлять "половину" класичного пантографа. Незважаючи на "виключення" половини конструкції, ці струмознімачі зберігають гарні параметри під час руху вперед і назад, та швидко реагують на зміни висоти контактної мережі під час руху.

Позначення: 1 - ковзна планка, 2 - верхні плечі шарнірної рами, 3 - нижнє плече, 4 - направляюча верхніх плеч, 5 - направляюча ковзної планки, 6 - основа, 7 - приводна пружина, 8 - електричний знімач (привід), 9 - байпасні з'єднувачі.

Кінематична система одноплечого пантографа, навантаження шарнірної рами В несуть частини B1 і B2.

Позначення: A - повзун, B - шарнірна рама, B1 - нижній важіль, B2 - верхній важіль, B3 - направляюча верхнього важіля, B4 - направляюча повзуна, C - основа, D - опорний ізолятор.

[Kozak]

Контактна планка (повзун) відповідає за взаємодію пантографа з контактним дротом повітряної контактної лінії. Безпосередній контакт з контактним дротом досягається за допомогою ковзних накладок, прикріплених до корпусу повзуна. На трамваях зазвичай використовуються подвійні повзуни, одинарні були в старих моделях, потрійні застосовують на потужніших рейкових ТЗ (напр., електровозах).

Позначення: A - загальна довжина, B - довжина робочої секції, C - висота повзуна, синій - ковзна накладка, червоний - ріжки, сірий - корпус повзуна, чорний - шарнирна рама.

На зовнішніх сторонах контактних смуг розташовані ріжки (роги), які використовуються для направлення контактного дроту, що йде збоку, на робочу частину контактної смуги. Ріжки також запобігають прослизанню контактного дроту під контактну смугу, що може пошкодити пантограф та контактну мережу.
Головка гнучко кріпиться до шарнірної рами (верхніх плечей) за допомогою систем підвіски. Кріплення головки до рами повинно забезпечувати достатню гнучкість для забезпечення належної взаємодії з контактним дротом. Під час роботи відбуваються інтенсивні вібрації, зміщення та удари. Система підвіски головки повинна гасити вібрації, щоб забезпечити безперервний контакт з контактним дротом для безперебійного живлення в діапазоні всіх робочих швидкостей до 130 км/год (із невеликим запасом). Система підвіски складається з пружин або пружинних пластин.

Позначення: 1 - ковзна накладка, 2 - корпус контактной планки, 3 - ріжки.

[Kozak]

Електричні з'єднання в струмознімачах.

З електричної точки зору, струмознімач повинен забезпечувати належний потік електроенергії через свою конструкцію. Шарнірна конструкція пантографів, особливо в області з'єднання, створює точки перешкод для шляху струму, що проходить від контактного дроту, через головку струмознімачів, шарнірну раму та вихідний вивід, розташований в опорній рамі. З цієї причини на з'єднаннях використовуються так звані шунтуючі байпасні з'єднувачі. Вони повинні бути розраховані на значення максимального струму, на які розрахований струмоприймач (до 1500 А для трамваїв).

Шарнірна рама складається з системи шарнірно з'єднаних важелів. Вона забезпечує опорну конструкцію для повзуна та служить для регулювання вертикальної висоти повзуна та забезпечення притискної сили через систему приводу, яка розташована на опорній рамі.

Позначення: 1 - верхні плечі шарнірної рами, 2 - підшипниковий вал шарніра, 3 - нижнє плече шарнірної рами, 4 - направляюча верхніх плеч, 5 - направляюча ковзної планки, 6 - шунтуючі з'єднувачі.

[Kozak]

Основа – стаціонарний елемент конструкції пантографа, до якого кріпляться рухомі частини та система приводу. Рама основи кріпиться до даху трамвая за допомогою опорних ізоляторів, електрично ізолюючи пантограф від кузова. Компоненти рами найчастіше виготовляються з металевих профілів, шарнірні з'єднання підтримуються підшипниками.

Позначення: 1 - рама основи, 2 - кронштейни опори для опорних ізоляторів, 3 - обертовий вал нижнього плеча, A - нижнє плече шарнірної рами, B - направляюча верхніх плеч.

Основа містить компоненти системи приводу, що відповідають за: підйом та утримання його в піднятому положенні, опускання пантографа, регулювання висоти контактної планки до поточної висоти підвіски контактного троса, створення відповідної сили тиску між повзуном та дротами для забезпечення безперебійного збору енергії, в опущеному положенні пантографа створення відповідної сили для утримання.

Позначення: 1 - рама основи, 2 - механізм вирівнювання (симетрії), 3 - обмежувач нижньої позиції повзуна, 4 - кронштейни опори для приєдняння ізоляторів, A - обертовий вал нижнього плеча шарнірної рами.

[Kozak]

Знімач пантографа не бере участі в процесі регулювання висоти під час роботи. Він використовується лише для підйому та опускання пантографа, коли транспортний засіб потрібно відключити або відновити живлення.
Ручний привід використовували старіші трамваї. До шарнірної рами через ізолятор проходить мотузка, яка починається усередині кабіни трамвая (потягнувши за мотузку, пантограф опускається, відпускаючи - піднімається).
Електричні механізми використовуються в сучасних трамваях, встановлені в основі струмоприймачів. У разі виходу з ладу знімача пантограф можна підняти вручну через гнучкий вал за допомогою ручного кривошипа.

Позначення: 1 - привід знімача, 2 - приводний двигун, 3 - трансмісія, 4 - шток приводу, 5 - магнітні датчики місцезнаходження і кінцеві вимикачі, 6 - гнучкий вал аварійного керування, 7 - опорні ізолятори, 8 - поворотний важіль, A - обертовий вал нижнього плеча шарнірної рами.

Трамвайні струмоприймачі (на відміну від залізничних), сконструйовані таким чином, що конструкція зазвичай піднята.
Активація електричного знімача або натягування троса опускає пантограф (звідси "знімач").
Процедура опускання призводить до того, що рух штока приводу знімача створює силу, яка протидіє силі пружини приводу в основі, опускаючи шарнірну раму та утримуючи пантограф у опущеному положенні. Під час опускання потрібне якомога швидше відокремлення від повітряної лінії, щоб зменшити ризик виникнення електричної дуги.
Процедури підйому призводить до руху штока, який змушує пружину приводу піднімати шарнірну раму. Під час підйому треба запобігти удару повзуна об повітряну лінію, оскільки це може пошкодити ковзні смуги.
Пряма штанга знімача з'єднана з валом нижнього плеча шарнірної рами за допомогою поворотного важеля (гойдалки). Під час руху трамвая поворотний важіль дозволяє пантографу вільно рухатися відповідно до висоти підвіски контактної лінії, ніяк не впливаючи на натяжний механізм.

Позначення: 1 - нижнє плече шарнірної рами, 2 - електричний знімач, 3 - поворотний важіль.