УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРИЖИМНЫМ УСИЛИЕМ ТОКОПРИЕМНИКА С РЕЛЕЙНЫМ КЛАПАНОМ Российский патент 2020 года по МПК B60L5/32 

Изобретение относится к устройству для управления прижимным усилием токоприемника транспортного средства (например, самодвижущейся единицы подвижного состава) к контактному проводу с релейным клапаном, способу выполнения такого устройства, а также к транспортному средству по меньшей мере с одним таким устройством.

Для токоприемников электрических самодвижущихся единиц подвижного состава необходимо определенное прижимное усилие к контактному проводу. Контактный провод является воздушной контактной линией обычного или инновационного исполнения, например, подвесным контактным рельсом.

При недостаточном прижимном усилии, токоприемник начинает прыгать. Возникающие из-за этого размыкания контакта и электрические дуги отрицательно влияют на срок службы контактной накладки токоприемника и контактных проводов. При слишком большом прижимном усилии, контактный провод избыточно поднимается. При недопустимых распределениях усилий в контактных проводах нельзя обеспечить их механическое позиционирование. Обычными последствиями является установка токоприемника и срыв контактного провода.

В соответствии с DIN (Германский промышленный стандарт) EN 50637:2012 необходимые контактные усилия, особенно при высокоскоростном режиме эксплуатации (> 200 км/ч), резко возрастают, примерно, вдвое превышая значение при неподвижном состоянии. Для обеспечения этого повышения, согласно уровню техники, в токоприемнике используют направляющие аэродинамические щитки, которые, с одной стороны, прикладывают аэродинамическое дополнительное усилие, а с другой стороны, компенсируют динамические подъемные силы. Недостатком этого является трудность приведения в соответствие конструкции и манипуляции этими направляющими аэродинамическими щитками с разными рабочими ситуациями. Например, аэродинамическое дополнительное усилие в высокоскоростных туннелях значительно выше, чем на открытом участке пути. К тому же это дополнительное усилие также зависит от формы транспортного средства, поперечного сечения туннеля, величины заграждения (отношение поперечное сечения транспортного средства к поперечному сечению туннеля), скачкообразного изменения площади поперечного сечения и положения токоприемника в составе поезда. Это дополнительное усилие также зависит от направления движения (например, в зависимости от хода набегания или сгибания асимметричного однорычажного токоприемника – полупантографа).

Вдобавок к этому, возрастают требования к увеличению прижимного усилия токоприемника в неподвижном состоянии для предотвращения перегрева и повреждения контактной накладки и провода контактной сети в месте контакта при протекании большого тока, вследствие освещения, работы кондиционеров и информационных систем для пассажиров в транспортных средствах. Однако направляющие аэродинамические щитки не могут создавать дополнительное усилие, если транспортное средство находится в неподвижном состоянии.

Из уровня техники в настоящее время известны одноступенчатые и двухступенчатые (не управляемые, но с возможностью юстировки) источники давления, прижимающие токоприемник к контактному проводу посредством сильфона с изменяющимся объемом. В отдельных случаях уже используются электропневматические (э.п.) устройства управления давлением, например, известные из документа ЕР 1539 528 A1. В документе раскрыто, как необходимый для эксплуатационников спад уровня давления при неисправности электропневматического регулятора осуществляют с помощью переключающего клапана. Электропневматический регулятор переключается в случае неисправности на нерегулируемый с возможностью юстировки редукционный клапан. Электропневматический регулятор управляет прижимным усилием в нормальном режиме эксплуатации транспортного средства. При этом недостатком является то, что управлять прижимным усилием с помощью регулятора можно с недостаточной точностью и, что это вызывает большое потребление воздуха.

Поэтому в основе изобретения лежит задача создать устройство, осуществляющее более точное управление необходимыми прижимными усилиями между токоприемником и контактным проводом, которые лучше подходят к различным рабочим ситуациям.

Эта задача решается согласно изобретению с помощью устройства для управления или регулирования прижимного усилия между контактным проводом и токоприемником транспортного средства согласно пункту 1 формулы изобретения. Кроме того, задача решается способом согласно п. п. 16, 17 или п. 18 формулы изобретения с применением такого устройства. Предпочтительные варианты исполнения изобретения содержатся в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно изобретению, решение задачи заключается в создании устройства для управления прижимным усилием между контактным проводом и токоприемником транспортного средства, которое приводится в действие пневматически или гидравлически. При этом, в качестве рабочих сред для передачи давления можно использовать, например, воздух или масло. Во время подъема или опускания токоприемника давление веществ находится в равновесии с силой тяжести (веса) токоприемника. Необходимое прижимное усилие осуществляется посредством повышения рабочего давления, осуществляемого посредством управления или регулирования произведенного давления с помощью управляющего давления из управляющего контура. Если рабочая ситуация требует дополнительного прижимного усилия, то регулируют управляющее давление в управляющем контуре для управления произведенным давлением для повышения рабочего давления.

Предпочтительно, если управляющий контур имеет основной контур управления, включая устройство управления основным контуром (например, редукционный клапан) для регулирования первого управляющего давления (управляющее давление основного контура), дополнительный контур управления, включая устройство управления дополнительного контура (например, регулятор) для регулирования второго управляющего давления и регулировочное устройство, включая релейный клапан для управления произведенным давлением и предоставления рабочего давления. После регулировочного устройства рабочее давление направляют к токоприемнику, причем промежуточно могут быть подключены другие элементы для взаимодействия с давлением или объемным потоком. Контур управления рабочим давлением предусмотрен для определения, насколько быстро или медленно рабочее давление должно направляться к токоприемнику. Дополнительно контур управления рабочим давлением может быть сконфигурирован так, что рабочее давление ограничивается до максимальной величины во избежание слишком высокого давления на токоприемник или на контактный провод, с целью предотвращения повреждения.

Релейный клапан сконструирован так, что один или несколько входов предусмотрен/предусмотрены для одного или нескольких управляющих давлений с соответственно небольшим поперечным сечением и, один вход для произведенного давления и один выход для рабочего давления предусмотрен с большим поперечным сечением для возможности переведения высоко-динамичного регулирования управляющего давления, как правило, 1:1 на больший объем рабочего давления. Дополнительно, в другом варианте исполнения изобретения реализуют другое передаточное отношение, чем 1:1. Например, если выбирают передаточное отношение 1:5, то в управляющем контуре действует давление 10 бар с исходным давлением 2 бар на выходе релейного клапана. В этом случае отклонение уменьшается также пропорционально. Если, например, отклонение в управляющем контуре составляет ± 0,1 бар, то отклонение на выходе релейного клапана составляет только ± 0,02 бар, что соответствует абсолютному уменьшению отклонения, а вследствие этого, обеспечивает повышение точности управления и уменьшение гистерезиса.

Предпочтительно, если управляющий контур имеет, наряду с регулятором, еще и датчик давления и два регулирующих клапана. Датчик давления предусмотрен для предоставления сигналов давления регулятору управляющего контура. Более высокая динамика, вследствие небольшого управляющего потока управляющего контура способствует достижению более высокой точности управления. Большой диапазон срабатывания датчика давления позволяет реализовать низкий уровень регулирования (небольшие значения давления) регулятора дополнительного контура управления и более меньшее допустимое отклонение (более высокую точность управления) при одновременно меньшем гистерезисе.

Управляющий контур всегда имеет в распоряжении постоянный управляющий объем, так как изменяющийся рабочий объем отделен от релейного клапана. Регулятор управляющего контура может более точно регулировать давление, чем прямой регулятор рабочего давления с изменяющимся объемом.

В предпочтительном варианте исполнения изобретения для контроля работы регулятора, предусмотрен, кроме всего прочего, конечный автомат для контролирования рабочего давления: становится ли оно ниже минимального заданного значения давления, превышает ли максимальное заданное значение давления, или отклоняется от диапазона между заданным значением и фактическим значением. При возникновении одного из таких случаев происходит экстренное отключение. Экстренное отключение действует на управляющий контур. В зависимости от формирования второго управляющего давления: в качестве добавочного регулирования к основному управляющему давлению, или как абсолютное регулирование управляющего давления, устанавливают определенное рабочее давление, при котором происходит экстренное отключение. Дополнительно экстренное отключение может действовать также на произведенное давление и блокировать питание релейного клапана так, что в любом случае рабочее давление сбрасывается. Это можно осуществлять посредством главного крана управления или размещенного около токоприемника клапана поршня или крана экстренного торможения с внутренним выравниванием давления и эталонным объемом давления. Вместо конечного автомата также можно использовать для контроля рабочего давления, например, электрический, электронный или микропроцессорный блок (в некоторых случаях с классифицированным, согласно уровню безопасности, программным обеспечением). Сравнительные сигналы для этого контрольного устройства можно получать из датчика давления дополнительного контура управления и/или из предусмотренному для рабочего давления датчика давления.

Еще одно преимущество изобретения состоит в таком исполнении устройства, в котором при неизменном прижимном усилии не происходит использование рабочих сред для передачи давления, вследствие чего предотвращается постоянное использование этих сред, вызывающее большое количество рабочих циклов компрессора транспортного средства, приводящее к нецелесообразной трате энергии, шумообразованию и износу компрессора. За счет получаемой от этого эффективности использования энергии, надежно обеспечивается энергоснабжение транспортного средства, особенно когда через токоприемник к транспортному средству требуется прохождение значительных количеств энергии для освещения и кондиционирования воздуха.

Далее приводится более подробное разъяснение четырех примеров исполнения изобретения со ссылкой на чертежи.

На чертежах представлено следующее:

фиг. 1 - устройство управления токоприемника согласно изобретению;

фиг. 2 - управляющий контур устройства управления токоприемника согласно первому примеру исполнения изобретения;

фиг. 3 - управляющий контур устройства управления токоприемника согласно второму примеру исполнения изобретения;

фиг. 4 - управляющий контур устройства управления токоприемника согласно третьему примеру исполнения изобретения;

фиг. 5 - управляющий контур устройства управления токоприемника согласно четвертому примеру исполнения изобретения.

На фиг. 2 показана часть транспортного средства 10, токоприемник 12, контактный провод 20 и устройство 22 управления токоприемника 12. Рабочая среда для передачи давления - воздух поступает в направлении стрелки 90 впуска потока от входа 24 давления через воздушный фильтр 34 в блок 22 управления.

При нахождении транспортного средства 10 в режиме эксплуатации или в режиме ожидания, устройство 22 управления включено посредством переключающего клапана 28a. Переключающий клапан 28b и устройство 30 представляют собой контрольные устройства.

Во время эксплуатации транспортного средства 10 между токоприемником 12 и контактным проводом 20 необходимо определенное прижимное усилие для обеспечения надежного перехода энергии от контактного провода 20 через токоприемник 12 к транспортному средству 10. Этого рабочего давления достигают посредством управляющего контура 32 и с помощью регулировочного устройства 50, а затем управляют контуром 60 рабочего давления.

Управляющий контур 32 имеет основной контур 56 управления, дополнительный контур 26 управления 26, а также регулировочное устройство 50. Произведенное давление подводится к первому трубопроводу 52 рабочей среды для передачи давления, основному контуру 56 управления и к дополнительному контуру 26 управления. Основной контур 56 управления регулирует первое управляющее давление (основное управляющее давление), а дополнительный контур 26 управления регулирует второе управляющее давление, причем первое управляющее давление и второе управляющее давление проводятся соответственно дальше по второму трубопроводу 54 рабочей среды для передачи давления к регулировочному устройству 50 для управления в нем произведенным давлением первого трубопровода 52 рабочей среды для передачи давления.

На фиг. 2 показан управляющий контур 32 устройства 22 управления согласно первому примеру исполнения изобретения. Управляющий контур 32 имеет редукционный клапан 36, переключающий клапан 28c, дополнительный контур 26 управления, включая регулятор 38, датчик 72а давления, первый регулирующий клапан 76 для снижения давления, второй регулирующий клапан 78 для повышения давления, релейный клапан 40 и датчик 72b давления.

Редукционный клапан 36 сконструирован для регулирования первого управляющего давления (основного управляющего давления), а регулятор 38 сконструирован для регулирования второго управляющего давления (дополнительного управляющего давления), причем основное управляющее давление и дополнительное управляющее проводят соответственно через второй трубопровод 54 рабочей среды для передачи давления ко входам 46a и 46b релейного клапана 40. Релейный клапан 40 сконструирован так, что сложение управляющих давлений происходит после входов 46a и 46b для управления произведенным давлением первого трубопровода 52 рабочей среды для передачи давления со сложенным управляющим давлением и выпуска рабочего давления из выхода 42 релейного клапана 40. Переключающий клапан 28c предусмотрен для отключения дополнительного контура управления в случае необходимости. Датчики 72a и 72b давления предусмотрены для измерения дополнительного давления в дополнительном контуре 26 управления и рабочего давления на выходе 42 релейного клапана.

На фиг. 3 показан управляющий контур 32 устройства 22 управления согласно второму примеру исполнения изобретения. По сравнению с фиг. 2 управляющий контур 32 также имеет по фиг. 3 редукционный клапан 36, переключающий клапан 28c, управляющий контур 26, включая регулятор 38, датчик 72 а давления, первый регулирующий клапан 76 для снижения давления, второй регулирующий клапан 78 для повышения давления, релейный клапан 40 и датчик давления 72b. Отличие от фиг. 2 состоит в том, что переключающий клапан 28c перемещен в своем положении; дополнительно предусмотрен двойной обратный клапан 80, а релейный клапан 40 имеет только один вход 46.

Переключающий клапан 28c перемещен на фиг. 3 в положение, в котором может осуществляться переключение между первым управляющим давлением и вторым управляющим давлением. Двойной обратный клапан 80 предназначен для осуществления сравнивания давления между управляющими давлениями и для дальнейшего пропуска соответственно большего давления ко входу 46 релейного клапана 40.

На фиг. 4 показан управляющий контур 32 устройства 22 управления согласно третьему примеру исполнения изобретения. По сравнению с фиг. 3 управляющий контур 32 также имеет редукционный клапан 36, переключающий клапан 28c, дополнительный контур 26 управления, включая регулятор 38, датчик 72а давления, первый регулирующий клапан 76 для снижения давления, второй регулирующий клапан 78 для повышения давления, релейный клапан 40 и датчик 72b давления. Отличие от фиг. 3 заключается в том, что в управляющем контуре 32 отсутствует двойной обратный клапан 80 и предусмотрен релейный клапан 40 с двумя входами 46a и 46b. Сравнивание давления аналогично к фиг. 3 интегрировано во входах 46a, 46b релейного клапана 40, чтобы для управления произведенным давлением действовало только соответственно большее давление первого управляющего давления (основного управляющего давления) и второго управляющего давления (при необходимости, включая основное управляющее давление).

На фиг. 5 показан управляющий контур 32 устройства 22 управления согласно четвертому примеру исполнения изобретения. По сравнению с фиг. 3 управляющий контур 32 также имеет редукционный клапан 36, переключающий клапан 28c, дополнительный контур управления 26, включая регулятор 38, датчик 72а давления, первый регулирующий клапан 76, второй регулирующий клапан 78, релейный клапан 40 и датчик 72b давления. Отличие от фиг. 4 заключается в том, что переключающий клапан 28c перемещен в своем положении внутри управляющего контура 32, а релейный клапан 40 имеет только один вход 46. Переключающий клапан 28c перемещен туда для осуществления переключение между первым и вторым управляющим давлением и дальнейшего пропуска только давления от них к релейному клапану для управления произведенным давлением.

Группа изобретений относится к токоприёмникам транспортных средств. Устройство для управления прижимным усилием токоприемника транспортного средства к контактному проводу содержит управляющий контур, контур управления рабочим давлением и релейный клапан, предназначенный для регулирования произведенного давления в зависимости от управляющего давления и передачи его в качестве рабочего давления в контур управления рабочим давлением. Причем релейный клапан имеет по меньшей мере один вход для управляющего давления с небольшим поперечным сечением, один вход для произведенного давления и один выход для рабочего давления с большими поперечными сечениями, так что при этом образуется передаточное отношение. Причем прижимное усилие токоприемника инициируется посредством пневматического или гидравлического рабочего давления. Также заявлены варианты способа управления прижимным усилием токоприемника транспортного средства к контактному проводу, а также транспортное средство с устройством для управления прижимным усилием токоприемника. Технический результат заключается в более точном управлении необходимыми прижимными усилиями между токоприемником и контактным проводом. 5 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство (22) для управления прижимным усилием токоприемника (12) транспортного средства (10) к контактному проводу (20), причем прижимное усилие инициируется посредством пневматического или гидравлического рабочего давления, причем устройство (22) содержит:

- управляющий контур (32) и контур (60) управления рабочим давлением;

- релейный клапан (40), предназначенный для регулирования произведенного давления в зависимости от управляющего давления и передачи его в качестве рабочего давления в контур (60) управления рабочим давлением,

причем релейный клапан (40) имеет по меньшей мере один вход (46, 46а, 46b) для управляющего давления с небольшим поперечным сечением и один вход для произведенного давления и один выход (42) для рабочего давления с большими поперечными сечениями, так что при этом образуется передаточное отношение.

2. Устройство по п. 1, в котором предусмотрены по меньшей мере два входа (46а, 46b) на стороне управляющего давления на релейном клапане (40) и релейный клапан выполнен так, что сложение нескольких управляющих давлений осуществляется на входах для управления произведенным давлением.

3. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере два входа (46а, 46b) предусмотрены на релейном клапане и релейный клапан выполнен с возможностью сравнивания управляющих давлений для управления произведенным давлением с помощью большего давления обоих управляющих давлений.

4. Устройство по п. 1, в котором на релейном клапане (40) предусмотрен только один вход (46), а управляющий контур (32) сконфигурирован так, что перед релейным клапаном (40) осуществляется отбор нескольких управляющих давлений для управления произведенным давлением.

5. Устройство по любому из пп. 1-4, в котором передаточное отношение релейного клапана обеспечивается передаточным отношением, отличным от 1:1, причем передаточное отношение выбирается повышенным или пониженным.

6. Устройство по любому из пп. 1-5, в котором основное устройство управления основного контура (56) управления выполнено в виде редукционного клапана (36) для регулирования первого управляющего давления.

7. Устройство по любому из пп. 1-6, в котором дополнительное устройство управления дополнительного контура (26) управления выполнено в виде регулятора (38) для регулирования второго управляющего давления.

8. Устройство по любому из пп. 1-7, в котором в контуре произведенного давления, перед точкой ввода произведенного давления в управляющий контур (32) и в контур (60) управления рабочим давлением, предусмотрен переключающий клапан (28а) в качестве включающего и выключающего клапана.

9. Устройство по любому из пп. 1-8, в котором в управляющем контуре (32) перед разветвлением в основной контур (56) управления и в дополнительный контур (26) управления предусмотрен переключающий клапан (28с).

10. Устройство по любому из пп. 1-9, в котором основной контур (56) управления и дополнительный контур (26) управления соединены с двойным обратным клапаном (80), сконфигурированным так, что соответственно более высокое давление переключается и направляется к релейному клапану (40).

11. Устройство по любому из пп. 1-8, в котором в управляющем контуре (32) после основного контура (56) управления и дополнительного контура (26) управления предусмотрен переключающий клапан (28с), сконфигурированный так, что переключается только одно давление из управляющих давлений и направляется к релейному клапану (40).

12. Устройство по любому из пп. 1-11, в котором дополнительное устройство управления сконфигурировано так, что второе управляющее давление уже содержит в себе основное управляющее давление.

13. Устройство по любому из пп. 1-12, в котором предусмотрен конечный автомат для контролирования рабочего давления, предназначенный для отключения управляющих давлений, предпочтительно регулируемых управляющих давлений, в заданных ситуациях.

14. Устройство по любому из пп. 1-12, в котором предусмотрен электрический, электронный или микропроцессорный блок для контролирования рабочего давления, предназначенный для отключения управляющих давлений, предпочтительно регулируемых управляющих давлений, в заданных ситуациях.

15. Устройство по любому из пп. 1-14, в котором дополнительный контур (26) управления имеет регулятор (38), датчик (72а) давления и два регулирующих клапана (76, 78), с помощью которых калибруется первое управляющее давление в обоих направлениях.

16. Способ управления прижимным усилием токоприемника (12) транспортного средства (10) к контактному проводу (20), причем прижимное усилие приводится в действие посредством пневматического или гидравлического произведенного давления, причем произведенное давление регулируют посредством управляющего давления управляющего контура, при котором предусмотрены следующие этапы:

- фиксированная или регулируемая установка управляющего давления в управляющем контуре для регулирования прижимного усилия;

- установка произведенного давления с помощью управляющего давления в соответствии с передаточным отношением.

17. Способ управления прижимным усилием токоприемника (12) транспортного средства (10) к контактному проводу (20), причем прижимное усилие приводится в действие посредством пневматического или гидравлического произведенного давления, причем произведенное давление регулируют посредством управляющих давлений управляющего контура, при котором предусмотрены следующие этапы:

- установка первого управляющего давления в управляющем контуре для регулирования нормального прижимного усилия;

- установка второго управляющего давления в управляющем контуре для регулирования дополнительного прижимного усилия;

- сложение управляющих давлений в зависимости от соответствующей дорожной ситуации;

- установка произведенного давления посредством управляющих давлений и передаточного отношения.

18. Способ управления прижимным усилием токоприемника (12) транспортного средства (10) к контактному проводу (20), причем прижимное усилие приводится в действие посредством пневматического или гидравлического произведенного давления, причем произведенное давление регулируют посредством управляющих давлений управляющего контура, при котором предусмотрены следующие этапы:

- установка первого управляющего давления в управляющем контуре для регулирования нормального прижимного усилия;

- установка второго управляющего давления в управляющем контуре для регулирования прижимного усилия, сложенного из нормального прижимного усилия и дополнительного прижимного усилия;

- выбор регулирования рабочего давления посредством первого управляющего давления или второго управляющего давления в зависимости от соответствующей дорожной ситуации;

- установка рабочего давления посредством выбранного управляющего давления и передаточного отношения.

19. Транспортное средство (10) по меньшей мере с одним устройством (22) по любому из пп. 1-15.