СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УЗЛА СОЕДИНЕНИЯ КОНТАКТНЫХ ПРОВОДОВ, УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ КОНТАКТНЫХ ПРОВОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА Российский патент 2024 года по МПК B60M1/24 

Изобретение относится к области электрификации железных дорог, к оборудованию подвески контактной сети, в частности зажиму для соединения контактных проводов.

Известно, что одной из причин ненадежной работы контактной подвески контактной сети являются обрывы контактных проводов в местах зажима соединяемых контактных проводов.

Критерием минимального контактного сопротивления служит сопротивление эквивалентного участка целого провода. Собранный соединитель считается пригодным к эксплуатации, если его сопротивление не более чем в 1,2 раза превышает эквивалентный участок целого провода.

Основными характеристиками соединителей являются степень сжатия контактных поверхностей и механическая прочность соединения. С увеличением механической прочности соединителя его контактное сопротивление уменьшается. Максимум механической прочности соединителя соответствует минимуму электрического контактного сопротивления.

Это связанно с нагревом токопроводящих зажимов, устанавливаемых на провода подвески. В свою очередь нагрев зажимов обусловлен увеличением переходного электрического сопротивления за счет образования на контактной поверхности зажима окисных пленок.

Известен способ изготовления переходного зажима для соединения медных проводов с алюминиевыми путем выполнения на плашках желобов, отличающийся тем, что плашки изготавливают из медно-алюминиево-железистой бронзы путем горячей штамповки при Т=880-930°C, затем поверхность желоба обезжиривают растворителем, обрабатывают в двух режимах на пескоструйной и дробеструйной установках, производят плазменное напыление слоя алюминия в электромагнитном поле толщиной 0,4-0,7 мм, при этом сила сцепления слоя алюминия с бронзой составляет 1,6-2,2 кг/мм². Плазменное напыление слоя алюминия производят не более чем через 24 ч после обработки желоба. (Патент РФ на изобретение №2166442).

Недостаток данного соединения направлен на решение только одной причины, влияющей на снижении надежности соединения проводов, и именно, соединяемые детали должны выполняться из материалов имеющих минимальное значение электрохимического потенциала. В данном случае значение электрохимического потенциала соединяемых поверхностей равно нулю. Ввиду малой толщины наносимого слоя, и большого различия в коэффициентах линейного температурного расширении, возможно растрескивания покрытия и последующего контакта меди с алюминием. Электрохимический потенциал соединения меди с алюминием один из самых высоких –0,65 мВ. Такое соединение покроется слоем налёта, увеличивающего сопротивление непосредственно на стыке покрытия и основы в месте контакта. В результате, в местах контакта появятся очаги перегрева, разрушающее покрытие. Надежность данного соединения со временем быстро снижается.

Известен зажим для соединения проводов контактной подвески железной дороги, содержащий две плашки, выполненные из материала на основе железа, с желобами, предназначенными для размещения соединяемых проводов, и контактными поверхностями, предназначенными для взаимодействия плашек с соединяемыми проводами, отличающийся тем, что плашки зажима выполнены из нержавеющей стали, а на контактные поверхности нанесен слой меди без ее окисления в процессе ее нанесения.

Плашки изготовлены из нержавеющей стали с пределом текучести (δ_т) не менее 245 МПа и пределом прочности (δ_в) не менее 490 МПа.

Слой меди нанесен путем напыления электродуговым испарением.

Слой меди нанесен путем плазменного напыления.

Слой меди нанесен путем электрохимического осаждения из растворов солей меди.

Толщина слоя меди составляет 200-400 мкм. (Патент РФ №2264932).

Недостаток данного технического решения заключается в том, что большая часть тока при прохождении его через зажим для соединения контактного провода, будет проходить через тело плашек, выполненных из нержавеющей стали, так как слой, выполненный из меди имеет малую толщину. При таком распределении потоков, при нагреве зажима, резко возрастет удельное электрическое сопротивление стали, так как при нагреве стали оно возрастает более чем в пять раз. Это может привести к ослаблению крепления стыкуемых проводов.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому положительному результату к предложенному, является известный стыковой зажим для контактных проводов, изготовленный из бронзы, и состоящий из двух плашек, соединяемых друг с другом с помощью болтовых соединений, с пазами в виде зубьев для крепления контактного провода и насечками на поверхности зубьев, при этом, площадь поперечного сечения зажима превосходит величину площади поперечного сечения контактного провода на величину отношения значений удельного электрического сопротивления материала плашки к материалу контактного провода, на внутренней стороне каждой плашки, вдоль осевой линии крепежных отверстий болтового соединения, выполнено утолщение, а высота насечки на зубьях для крепления контактного провода составляет 0,25-0,4 мм с углом при вершине 80-100 градусов, и шагом выступов насечки 0,9-1,1 мм (Патент на полезную модель RU №148336). Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Основные задачи, выполняемые стыковым зажимом контактных проводов - обеспечить прочное удержание концов контактного провода в линии контактной сети. электрифицированных железных дорог, обеспечив безаварийное движение токосъемника подвижного состава в местах стыковки контактного провода, а также, обеспечить эффективную передачу электрического тока от одного отрезка контактного провода к другому, по всей длине контактной сети

Прочное удержание стыкуемых концов контактного провода плашками стыкуемого зажима зависит, в основном, за счет выполнения высота насечки на зубьях для крепления контактного провода 0,25-0,4 мм с углом при вершине 80-100 градусов, и шагом выступов насечки 0,9-1,1 мм, и усилия затяжки плашек 60 Нм.

Эффективная передача электрического тока от одного отрезка контактного провода другому в месте стыковки достигается плотностью соединяемых материалов насечкой на контактируемых поверхностях зубьев, закрепленных с помощью болтовых соединений, размещаемых в отверстиях. Высота насечки на зубьях плашки составляет 0,25-0,4 мм, а высота насечки контактного провода составляет 0,15-0,25 мм.

Высота насечки на плашке превосходит глубину насечки контактного провода по следующей причине. Зубья насечки, внедряясь в тело контактного провода, деформируют его, выдавливая металл контактного провода, который заполняет промежутки между зубьями насечки. Выбор высоты насечки и величина шага насечки выбрана из расчета создания необходимого свободного объема для заполнения выдавливаемым из тела контактного провода металлов промежутков между зубчиками насечки. Заполняя межзубцовый объем насечки, материал контактного провода обеспечивает наиболее плотный контакт поверхности контактного провода с поверхностью плашки, и тем самым, снижает электрическое сопротивление контакта, обеспечивая эффективную передачу электрического тока.

При затягивании болтового соединения соединителя, его сопротивление резко падает, но с увеличением давления оно стабилизируется и изменяется незначительно. Сопротивление соединителя весьма чувствительно к состоянию контактной поверхности соединяемых элементов - провода и плашки.

Эффективность токопередачи стыкового зажима характеризуется коэффициентом дефектности по сопротивлению (К_о), и определяется как отношение величины падения напряжения на стыковом участке к величине падения напряжения на участке целого контактного провода аналогичной длины.

Недостаток данного решения заключает в том, что в процессе работы соединителя не сохраняется постоянным усилие затяжки плашек. Это обусловлено тем, что высота насечки на зубьях плашки превышает высоту насечек контактного провода в два раза. Такое соединение при постоянной изменяющейся продольной нагрузке (ветровая, температурная) приводит к смятию контактных поверхностей провода, так как имеется свободный объем для заполнения выдавливанием из тела зубчиков контактного провода металлов в свободные объемы между зубчиками насечки плашки. Таким образом нарушается плотность контакта. Обрывов контактных проводов происходят вследствие потери проводом прочности при длительном протекании тока в местах соприкосновения провода и зажима, в местах плохого контакта, происходит их отжиг и обрыв.

Процесс развития дефекта в контактном соединении, как правило, протекает достаточно длительно и зависит от ряда факторов: тока нагрузки, режима работы (стабильная нагрузка или переменная), воздействия химических реагентов, ветровых нагрузок, усилий затяжки болтов, наличия стабилизации давления контактов и др. Постепенное повышение переходного сопротивления контактного соединения происходит до определенного момента времени, после чего происходит резкое ухудшение контактной поверхности с интенсивным тепловыделением, характеризующееся как аварийное состояние контактного соединения.

Задачей заявляемого технического решения является обеспечение безопасности движения железнодорожного транспорта на электрифицированных железных дорогах.

В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении надежности удержание концов контактного провода в линии контактной сети электрифицированных железных дорог, в повышении эффективности передачи электрического тока от одного отрезка контактного провода другому в месте стыковки.

Указанный технический результат достигается способ изготовления узла соединения контактных проводов, заключающийся в том, что скрепляют провода двумя плашками с зубьями с насечками, отличающийся тем, что предварительно на поверхностях контактных проводов соединяемых с плашками, формируют насечки, соответствующие насечкам на плашках.

Площадь поперечного сечения зажима превосходит величину площади поперечного сечения контактного провода на величину отношения значений удельного электрического сопротивления материала плашки к материалу контактного провода.

Высоту насечки на контактных поверхностях плашек и контактного провода для крепления выполняют не менее 0,6 мм с углом при вершине 60-120 градусов и шагом выступов насечки менее 0,6 мм.

Указанный технический результат достигается также узлом соединения контактных проводов, включающим скрепление проводов двумя плашками с зубьями с насечками, отличающийся тем, что предварительно на поверхностях контактных проводов, соединяемых с плашками, сформированы насечки, соответствующие насечкам на плашках.

Площадь поперечного сечения зажима превосходит величину площади поперечного сечения контактного провода на величину отношения значений удельного электрического сопротивления материала плашки к материалу контактного провода.

Высоту насечки на контактных поверхностях плашек и контактного провода для крепления выполняют не менее 0,6 мм с углом при вершине 60-120 градусов и шагом выступов насечки менее 0,6 мм.

Для достижения заявленного способа также необходимо устройство для формирования насечки на поверхностях контактных проводов для реализации способа изготовления стыкового зажима контактных проводов, включающий скрепление проводов двумя плашками с зубьями с насечками, предварительно на поверхностях контактных проводов соединяемых с плашками, формируют насечки, соответствующие насечкам на плашках, имеющее рабочий элемент продолговатой формы С-образного профиля с желобом для размещения в нем контактного провода, имеющем рельефную поверхность, обеспечивающую формирование насечки на контактном проводе.

Рабочий элемент выполнен из инструментальной стали твердостью более HRC52.

Устройство обеспечивает формирование высоты насечки на контактных поверхностях плашек и контактного провода для крепления выполняют не менее 0,6 мм с углом при вершине 60-120 градусов и шагом выступов насечки менее 0,6 мм.

Проведенный анализ причин влияющих на надежность в работе зажимов контактного провода проведенный авторами позволил прийти к выводу, что нужно изменить традиционный способ изготовления зажима контактного провода, чтобы получить более надежное и высокоэффективного соединение контактных проводов. Это достигается за создание прочного, плотного контакта, при соединении контактных поверхностей и предотвращающий появление центров коррозии. Число и величина контактных площадок (точек), через которые проходит ток в контактной паре сохраняется максимально долго. Это достигается отсутствием свободного пространства в соединении насечек, имеющих идентичные параметры. Соединяемые детали выполняются из материалов имеющих практически равные значения коэффициента линейного расширения и минимальное значение электрохимического потенциала. Усилие, стягивающее две контактные поверхности, со временем не ослабевает, за счет отсутствия пластической деформации контактируемых плоскостей. Прижимные плашки имеют упругую составляющую, достаточную, что бы создавать постоянным усилие сжатия.

Пример конкретного выполнения

Зажим (фиг.1, 2) содержит две плашки 1 и 2, соединенные болтами 3. В обеих плашках образованы желоба 4 и 5, для размещения в них контактных проводов 6 и 7. Плашки 1 и 2 содержат контактную внутреннюю поверхность 1.1 и 1.2. с насечками.

Предлагаемый способ осуществляется в следующей последовательности.

Медный контактный провод изготовляют из катанки марки МКЛПС по ГОСТ 13842-80, имеет номинальное сечение площадью 120 мм² с профилем сечения по ГОСТ 56647-2028. Площадь электрического контакта насечек плашек с контактным проводом 120 мм², составляет примерно 900 мм².

Соединение контактных проводов с плашками контактного провода происходят без вдавливания насечек плашек, имеющихся на контактных площадках, без врезания в контактный провод с образованием соединения. Ранее на контактном проводе отдельным инструментом были сформированы насечки идентичные насечкам на плашке. Соединение образуется без дополнительной деформации с образованием плотного, без зазоров и впадин. Что бы получать идентичные профили насечек на плашках и контактном проводе используется устройство для формирования насечки на поверхностях контактных проводов узла зажима контактных проводов, имеющей рабочий элемент продолговатой формы С-оброзного профиля с желобом для размещения в нем контактного провода, имеющей рельефную поверхность, для формирования насечки на контактном проводе.

Рабочий элемент выполнен из инструментальной стали твердостью более HRC52, а на контактной поверхности имеет насечки с параметрами шага и высоты не менее 1,0 мм. Таким образом, формируется надежное, высокоэффективное соединение плашек и контактного провода.

Усилие среза предлагаемого контактного соединения контактного провода марки М сечение 120 мм², и плашки с длиной насечки 90 мм, с параметрами насечки: высота насечки на контактных поверхностях плашек и контактного провода для крепления составляет 1,0 мм с углом при вершине 60 градусов, и шагом выступов насечки 1,0 мм, при допустимом усилии на срез 210 МПа составляет 72 кН, а усилие на разрыв контактного провода сечением 120 мм² составляет 43 кН, что в 1,6 раза больше допустимого. Расчет проведен без усилия затяжки болтового соединения.

Предлагаемы способ изготовления узла зажима контактных проводов, устройство с рабочим элементом для формирования насечки на контактном проводе идентичной насечке на плашке и стыковой зажим способствуют получению надежного, высокоэффективного соединения плашек и контактного провода, полностью исключить вероятность разрушения плашек, даже при моменте затяжки болтового соединения ниже 60 Нм.

Группа изобретений относится к контактным линиям электроснабжения для транспортных средств. Способ изготовления узла соединения контактных проводов заключается в том, что скрепляют провода двумя плашками с зубьями с насечками, при этом предварительно на поверхностях контактных проводов, соединяемых с плашками, формируют насечки, соответствующие насечкам на плашках. Также заявлен узел соединения контактных проводов, включающий скрепление проводов двумя плашками с зубьями с насечками, при этом предварительно на поверхностях контактных проводов, соединяемых с плашками, сформированы насечки, соответствующие насечкам на плашках; устройство для формирования насечки на поверхностях контактных проводов, имеющее рабочий элемент продолговатой формы С-образного профиля с желобом для размещения в нем контактного провода, имеющим рельефную поверхность, обеспечивающую формирование насечки на контактном проводе. Технический результат заключается в обеспечении безопасности движения железнодорожного транспорта на электрифицированных железных дорогах, за счет надежного, высокоэффективного соединения плашек и контактного провода, полностью исключающего вероятность разрушения плашек. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления узла соединения контактных проводов, заключающийся в том, что скрепляют провода двумя плашками с зубьями с насечками, отличающийся тем, что предварительно на поверхностях контактных проводов, соединяемых с плашками, формируют насечки, соответствующие насечкам на плашках.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения зажима превосходит величину площади поперечного сечения контактного провода на величину отношения значений удельного электрического сопротивления материала плашки к материалу контактного провода.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что высоту насечки на контактных поверхностях плашек и контактного провода для крепления выполняют не менее 0,6 мм с углом при вершине 60-120 градусов и шагом выступов насечки менее 0,6 мм.

4. Узел соединения контактных проводов, включающий скрепление проводов двумя плашками с зубьями с насечками, отличающийся тем, что предварительно на поверхностях контактных проводов, соединяемых с плашками, сформированы насечки, соответствующие насечкам на плашках.

5. Устройство для формирования насечки на поверхностях контактных проводов для реализации способа по п.1, имеющее рабочий элемент продолговатой формы С-образного профиля с желобом для размещения в нем контактного провода, имеющим рельефную поверхность, обеспечивающую формирование насечки на контактном проводе.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что рабочий элемент выполнен из инструментальной стали твердостью более HRC52.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что обеспечивает формирование высоты насечки на контактных поверхностях плашек и контактного провода для крепления не менее 0,6 мм с углом при вершине 60-120 градусов и шагом выступов насечки менее 0,6 мм.