地鐵受流器環(huán)形實(shí)驗(yàn)臺(tái)的整體技術(shù)設(shè)計(jì)

王立哲

摘 要：隨著大城市地面交通日益擁擠，地鐵越來(lái)越受到中國(guó)大中小城市的青睞。本文針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)受流器動(dòng)態(tài)特性研究欠缺的情況，提出了研究受流器動(dòng)態(tài)特性的環(huán)形實(shí)驗(yàn)臺(tái)的整體設(shè)計(jì)、各組成部分詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證該設(shè)計(jì)合理性。該設(shè)計(jì)可以為受流器動(dòng)態(tài)特性的研究提供一定的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：地鐵 ；受流器；環(huán)形實(shí)驗(yàn)臺(tái)；技術(shù)設(shè)計(jì)

以地鐵為主體的城市軌道交通設(shè)施，由于其1）節(jié)約土地、降噪；2）減少地面交通干擾，節(jié)約運(yùn)營(yíng)時(shí)間；3）節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，愈加備受城市管理者和普通市民的青睞[ 1 ]。隨著國(guó)內(nèi)城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)，第三軌受流器在城軌車輛上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。第三軌受流器就是一種集電裝置，它在地鐵線路的帶電路軌上接觸并滑行，從而把電力傳到列車上。第三軌供電在全球許多國(guó)家很早就有運(yùn)用，目前在我國(guó)的地鐵車輛上也廣為使用[ 2 ]。

與受流器在國(guó)內(nèi)的廣泛運(yùn)用形成對(duì)比的是我國(guó)關(guān)于受流器研究還尚處于相對(duì)滯后的狀態(tài)，由于缺乏用于檢測(cè)受流器和第三軌間動(dòng)態(tài)交互作用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，國(guó)內(nèi)目前主要集中在受流器和第三軌靜態(tài)交互作用中壓力等數(shù)據(jù)的測(cè)量與研究[ 3 ]。因此本文針對(duì)用于研究受流器與第三軌間動(dòng)態(tài)特性的受流器環(huán)形實(shí)驗(yàn)臺(tái)提出相關(guān)方案及技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)，為今后國(guó)內(nèi)受流器環(huán)形實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研發(fā)提供一個(gè)設(shè)計(jì)方案的參考。

1 受流器環(huán)形實(shí)驗(yàn)臺(tái)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 環(huán)形軌道方案

安裝在環(huán)形實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的環(huán)形軌道是依據(jù)BRECKNELL WILLIS公司設(shè)計(jì)的第三軌截面建立的。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的環(huán)形軌道采用輻條連接方式與傳動(dòng)軸固定，這樣可以使鐵軌在有垂向振動(dòng)的條件下仍然可以平穩(wěn)繞著的傳動(dòng)軸中心旋轉(zhuǎn)而不會(huì)產(chǎn)生偏移搖晃。傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)環(huán)形軌道旋轉(zhuǎn)，固定的受流器與軌道接觸并產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即模擬受流器在列車運(yùn)行過程中在第三軌上的滑動(dòng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)方案

基于齒輪傳動(dòng)有：1）效率高；2）結(jié)構(gòu)緊湊；3）工作可靠、壽命長(zhǎng)；4）傳動(dòng)比穩(wěn)定等特點(diǎn)[ 7 ]。V帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉和緩沖吸振的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)環(huán)形實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)械傳動(dòng)裝置選用V帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。

1.3 受流器作動(dòng)裝置方案

受流器作動(dòng)裝置要仿真車輛運(yùn)行過程中的垂向振動(dòng)，作動(dòng)器可以滿足這一設(shè)計(jì)要求。作動(dòng)器是一種以液壓油為動(dòng)力源的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，在生活中多種需要擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。本文選擇電液伺服作動(dòng)器來(lái)模擬車體的垂向振動(dòng)。電液伺服作動(dòng)器通過對(duì)負(fù)載施加可控的推、拉等作用力，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的速度、方向、位移、力的控制。

2 受流器環(huán)形實(shí)驗(yàn)臺(tái)技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 電動(dòng)機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)

由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行工程實(shí)驗(yàn)的過程中，其所在工作條件相比于安裝在地鐵車輛上工作的情況好很多，本文選用有著效率高、節(jié)能、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動(dòng)小、運(yùn)行安全可靠特點(diǎn)的三相異步電動(dòng)機(jī)（電壓380V，Y系列）。

2.2 環(huán)形軌道技術(shù)設(shè)計(jì)

綜合考慮實(shí)驗(yàn)臺(tái)直徑對(duì)實(shí)驗(yàn)效果、建造成本、占用空間等因素后，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)環(huán)形軌道模型直徑為3.5m。環(huán)形軌道型號(hào)是3000A軌，采用鋼鋁復(fù)合；軌道硬度：鋼帶硬度130～170 HB，符合的標(biāo)準(zhǔn)： DIN EN 10088-1。其尺寸與重量參數(shù)具體為：軌高—70mm；軌底寬—45mm，鋼帶有效接觸面寬≥60mm，重量≤15kg/m，環(huán)軌直徑—4m。

2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總體技術(shù)設(shè)計(jì)

由電動(dòng)機(jī)的選擇確定總傳動(dòng)比為：12.166，V帶的傳動(dòng)比范圍為i1=2～4，圓柱齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比范圍i2=3～5，而且在帶傳動(dòng)和圓柱齒輪組成的傳動(dòng)裝置中，應(yīng)使帶傳動(dòng)比小于齒輪傳動(dòng)比。

選擇圓柱齒輪的傳動(dòng)比i2=4，則i1=3.042，符合各自傳動(dòng)比應(yīng)符合的范圍，且滿足帶傳動(dòng)比小于齒輪傳動(dòng)比，即i帶高速軸（2.09kW）低速軸（2.007kW）實(shí)驗(yàn)臺(tái)軸（1.987kW）；根據(jù)電動(dòng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速及傳動(dòng)比，利用n2=n1/i分別計(jì)算其余軸的轉(zhuǎn)速為：高速軸（466.798r/min）低速軸（116.7r/min）實(shí)驗(yàn)臺(tái)軸（116.7r/min）；根據(jù)電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)矩，分別計(jì)算其余軸的轉(zhuǎn)矩為：高速軸（42.758N·m）低速軸（164.240N·m）實(shí)驗(yàn)臺(tái)軸（162.60N·m）。

2.4 帶傳動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)

帶輪材料依據(jù)其工作條件及材料強(qiáng)度、成本的要求，選用灰鑄鐵，HT200；帶輪設(shè)計(jì)功率Pd由電機(jī)軸輸入功率與工作情況系數(shù)求得Pd=KAP=2.42kW；帶傳動(dòng)類型根據(jù)設(shè)計(jì)功率及電機(jī)軸轉(zhuǎn)速取Z型V帶；考慮帶的彎曲應(yīng)力及帶傳動(dòng)有效拉力的影響，初選小帶輪基準(zhǔn)直徑dd1=80mm>Z型小帶輪最小基準(zhǔn)直徑，依據(jù)傳動(dòng)比可知大帶輪基準(zhǔn)直徑dd2=250mm；經(jīng)校驗(yàn)傳動(dòng)比誤差為3.8%<5%，符合傳動(dòng)比要求；帶速V=■=5.948m/s'，滿足5m/s