Силовая цепь электровоза (см. рис. 9) соединяется через токоприемник с контактной сетью, в которую поступает электрическая энергия от тяговой подстанции. Контакт между токоприемником и контактным проводом осуществляется не в одной постоянной точке, как в стационарных установках; точка контакта перемещается вдоль провода вместе с локомотивом.
Основным условием надежной работы токоприемника, или, как говорят специалисты, высокого качества токосъема, является прежде всего постоянство нажатия токоприемника на контактный провод. Разумеется, чем больше нажатие, тем надежней скользящий контакт. Но, с другой стороны, большое нажатие увеличивает механический износ провода и контактного устройства токоприемника (в действительности контактный провод расположен в плане не по оси пути, а зигзагообразно, что обеспечивает равномерный износ рабочих поверхностей полоза токоприемника по всей его длине. Поэтому токоприемник относительно контактного провода перемещается еще и в поперечном направлении).
В то же время чрезмерно малое нажатие приводит к искрению и даже к образованию электрической дуги, что вызывает электрический износ контактных поверхностей проводов и токоприемника и возникновение помех в различных линиях связи.
В соответствии с Правилами технической эксплуатации железных дорог нормальная высота подвески контактного провода над уровнем головки рельса принята равной 6600 мм на станциях и 6250 мм на перегонах. В исключительных случаях это расстояние в пределах искусственных сооружений, расположенных на путях станций, а также на перегонах с разрешения Министерства путей сообщения (МПС) может быть уменьшено до 5675 мм на участках переменного тока и до 5550 мм при постоянном токе. Высота подвески контактного провода во всех случаях не должна превышать 6800 мм. Следовательно, в самых неблагоприятных условиях токоприемник должен опускаться или подниматься на 6800 — 5500 = 1250 мм, обеспечивая при этом постоянный электрический контакт с проводом. Кроме того, чтобы создать безопасные условия для персонала, производящего осмотр или ремонт электровоза, необходимо иметь возможность опускать и вновь поднимать токоприемник до соприкосновения с контактным проводом.
Рассмотрим одну из конструкций токоприемника электровоза постоянного тока (рис. 27, а).
Чтобы поднять токоприемник, машинист с помощью специального аппарата (клапана токоприемника) открывает доступ сжатому воздуху в цилиндр (рис. 27, б). Поршень цилиндра, перемещаясь в крайнее левое положение, штоком поворачивает рычаг, с которым связана тяга и опускающая пружина. Тяга, перемещаясь влево, отходит от фасонного кронштейна, и две растянутые поднимающие пружины поднимают нижнюю и верхнюю рамы, связанные шарнирно. Профиль фасонного кронштейна обеспечивает вначале быстрый подъем токоприемника, а в конце медленный для мягкого соприкосновения его с проводом.
Для того чтобы опустить токоприемник, цилиндр, наполненный воздухом, сообщают с атмосферой. Тогда опускающая пружина, которая была сжата при подъеме токоприемника под действием поршня и рычага, разжавшись, переместит поршень в крайнее правое положение и одновременно через тягу с роликом воздействует на фасонный кронштейн. Главные валы под действием усилия, приложенного к этому кронштейну, и силы тяжести подвижной части, преодолев сопротивление поднимающих пружин, повернутся и токоприемник опустится.
Вначале токоприемник должен опускаться очень быстро, чтобы разорвать электрическую дугу, которая может образоваться при отрыве полозов от контактного провода, а затем медленно, чтобы рама плавно (без удара) опустилась на амортизаторы. Это обеспечивается соответствующим очертанием фасонного кронштейна и быстрым выпуском сжатого воздуха из цилиндра в начальный период. В некоторых конструкциях токоприемников вместо фасонного кронштейна используют редуктор, который изменяет давление сжатого воздуха, поступающего в цилиндр или выходящего из него, в зависимости от положения рам.
Основание токоприемника устанавливают на изоляторах. Обычно на электровозах имеется два электрически соединенных токоприемника. Как правило, в процессе работы поднят задний из них по направлению движения локомотива.
Полозы токоприемника специальным механизмом, называемым кареткой (см. рис. 27, б), крепят к раме. Каретки предназначены для улучшения токосъема при проходе точек, где крепится контактный провод (жесткие точки), обеспечения упругости полозов в горизонтальном направлении и равномерного распределения нажатия между ними. Для этого применены пружины и шарнирные соединения.
К рабочим поверхностям полозов крепят сменные контактные пластины — контактные вставки или накладки. Они должны иметь малое электрическое сопротивление, быть износостойкими и по возможности меньше изнашивать контактный провод. В современных токоприемниках применяют угольные вставки, медные и металлокерамические накладки.
Нажатие полозов токоприемника на контактный провод в среднем составляет 98—128 Н (10—13 кгс). Качество токосъема будет высоким, если нажатие полозов на контактный провод независимо от высоты его подвески не изменяется. Это обеспечивается применением шариковых и игольчатых подшипников, снижением массы подвижных частей путем использования прочных тонкостенных труб.
