臧玉軍， 王樂(lè)民， 周 昌

(中車(chē)大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司， 遼寧大連 116022)

傳統(tǒng)城市軌道交通系統(tǒng)除了需要大量的土地來(lái)修建軌道外，還需要大量空間來(lái)建設(shè)架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)。這樣不僅會(huì)給城市交通帶來(lái)一定的安全隱患，還在一定程度上造成了城市景觀的“視覺(jué)污染”[1]。隨著城市的發(fā)展，為進(jìn)一步體現(xiàn)與城市景觀的融合，現(xiàn)代有軌電車(chē)的供電方式逐步由架空接觸網(wǎng)向無(wú)接觸網(wǎng)發(fā)展。無(wú)接觸網(wǎng)供電方案可以有效避免架空接觸網(wǎng)可能出現(xiàn)的電擊或者掛落等安全隱患，還能將有軌電車(chē)靚麗的外觀融入到城市道路景觀中，打造一道美麗的動(dòng)態(tài)城市風(fēng)景線。

珠海現(xiàn)代有軌電車(chē)1號(hào)線(如圖1所示)的開(kāi)通運(yùn)行使珠海成為世界首個(gè)將使用地面供電系統(tǒng)的有軌電車(chē)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的城市，對(duì)緩解城市交通、美化城市環(huán)境發(fā)揮了重要作用。

珠海現(xiàn)代有軌電車(chē)1號(hào)線采用100%低地板設(shè)計(jì)，方便乘客上下車(chē)。鋼輪鋼軌，平穩(wěn)舒適。5節(jié)編組，模塊化設(shè)計(jì)。車(chē)長(zhǎng)32 m，寬2.65 m，高3.6 m。車(chē)輛座位66個(gè)，滿載定員276人。電動(dòng)塞拉門(mén)，每側(cè)5個(gè)車(chē)門(mén)，3個(gè)雙開(kāi)門(mén)及2個(gè)單開(kāi)門(mén)。車(chē)輛兩端均設(shè)有駕駛室，雙向運(yùn)行，最高運(yùn)行速度70 km/h。

圖1 珠海有軌電車(chē)實(shí)景照片

1 地面供電系統(tǒng)

珠海有軌電車(chē)地面供電系統(tǒng)為750 V直流供電，設(shè)計(jì)速度75 km/h，實(shí)際最高運(yùn)營(yíng)速度70 km/h。

1.1 地面供電系統(tǒng)主要電氣參數(shù)

額定電壓： DC 750 V

電壓波動(dòng)范圍： DC 500～900 V

最大瞬態(tài)電壓： DC 3 500 V

線路阻抗： 90 mΩ/km

線路額定電流： 2 000 A (持續(xù))

5 000 A (1 h)

地面受流器額定電流 1 000 A (5 km/h 持續(xù))

(單個(gè)集電靴)： 200 A (靜止，持續(xù))

800 A (30 s，靜止)

作為與地面供電相對(duì)應(yīng)的車(chē)載受流系統(tǒng)，其主要包括集電靴，液壓控制箱，超級(jí)電容，保護(hù)裝置等部分，來(lái)完成有地面供電系統(tǒng)提供的電傳輸?shù)秸?chē)的功能。車(chē)載受流器前端配備有排障器，能夠清除大部分障礙物。同時(shí)配備有護(hù)蓋(遮蓋板)，當(dāng)受流器收起不用時(shí)，護(hù)蓋閉合，能夠起到保護(hù)作用。

1.2 地面供電系統(tǒng)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

地面供電系統(tǒng)與架空接觸網(wǎng)供電方式相比，地面供電系統(tǒng)不用高空作業(yè)，且采用了模塊化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，安裝和維護(hù)快捷方便。對(duì)于有故障的供電模塊，4個(gè)工人在0.5 h內(nèi)即可更換完畢。

地面供電系統(tǒng)避免了架空接觸網(wǎng)建設(shè)，從而不受空間限制，車(chē)輛可在隧道或既有橋梁下通過(guò)；避免破壞城市景觀環(huán)境、樹(shù)木建筑等的破壞，創(chuàng)造了和諧美好的城市環(huán)境，同時(shí)有利于城市規(guī)劃和布局。

2 集電靴

2.1 集電靴相關(guān)參數(shù)

(1)集電靴的主要電氣參數(shù)

額定電壓：DC 750 V

電壓范圍： DC 500～900 V

額定電流(裝配一個(gè)受流靴) ：

800 A，連續(xù)，最低5 km/h

200 A，連續(xù)，靜止

集電靴的設(shè)計(jì)容量為1 000 A。

(2)集電靴的主要機(jī)械參數(shù)

集電靴支架長(zhǎng)度 585 mm

集電靴支架寬度 500 mm

底座長(zhǎng)度 850 mm

底座寬度 370 mm

集電靴支架質(zhì)量 50 kg

底座質(zhì)量 34 kg

垂直磁吸力 350～400 N

抬靴 <3 s

降靴 <3 s

降靴(含開(kāi)蓋時(shí)間) <11 s

打開(kāi)護(hù)蓋時(shí)間 <8 s

關(guān)閉護(hù)蓋時(shí)間 <8 s

升排障器時(shí)間 <3 s

降排障器時(shí)間 <3 s

(3)車(chē)輛空載、新輪時(shí)，護(hù)蓋關(guān)閉狀態(tài)下距離軌面高度為80 mm；車(chē)輛懸掛損壞、舊輪情況下，護(hù)蓋關(guān)閉狀態(tài)下距離軌面的最小高度為30 mm。

(4)集電靴電刷給地面接觸鋼板的壓力為450 N，壓強(qiáng)為3 333 Pa。

2.2 主要功能

集電靴安裝于車(chē)輛兩端轉(zhuǎn)向架,與地面供電模塊正負(fù)極鋼板接觸導(dǎo)入電源供車(chē)輛運(yùn)作。集電靴由支架、排障器、護(hù)蓋與底座組成; 底座由正負(fù)極電刷、強(qiáng)力磁鐵、導(dǎo)電桿與底座容器組成(見(jiàn)圖2)。蓋板、排障器與支架分別以液壓缸操作,設(shè)計(jì)理念采用無(wú)故障設(shè)計(jì)(Fail-Safe-Design)即無(wú)法動(dòng)作或故障就恢復(fù)原狀(收起狀態(tài))。

2.3 集電靴的結(jié)構(gòu)原理

磁性集電靴底座是地面供電模塊和有軌電車(chē)受流器之間物理接觸的地方，置于車(chē)輛轉(zhuǎn)向架下，位于受流器最底部，通過(guò)其中永磁體的應(yīng)用將地面供電模塊當(dāng)中的柔性接觸帶吸引上來(lái)，使柔性接觸帶連接電源正極，同時(shí)連接正極鋼板通過(guò)C型板將電流傳輸?shù)郊娧ド厦?，從而達(dá)到為整車(chē)提供電能的作用。

其功能是：永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)，向上吸起柔性接觸帶使地面供電模塊的正極板通電，同時(shí)集電靴與地面供電相應(yīng)模塊區(qū)段接觸，負(fù)極電刷連接地面供電模塊兩邊的負(fù)極，形成回路，為車(chē)輛供電。磁性集電靴底座采用銅合金材料，與地面供電系統(tǒng)接觸時(shí)需要足夠的壓力，因此存在一定的磨損問(wèn)題，需要定期更換新的電刷。集電靴如圖3(a)、3(b)所示。

圖2 集電靴示意圖及安裝位置

圖3 集電靴示意圖及實(shí)物圖

3 集電靴磁場(chǎng)分析

珠海1號(hào)線有軌電車(chē)采用的TramWave[2]是由無(wú)架空線供電系統(tǒng)技術(shù)的領(lǐng)先者意大利AnsaldoSTS研發(fā)的有軌電車(chē)地面供電系統(tǒng)。TramWave技術(shù)的核心在于轉(zhuǎn)向架集電靴的設(shè)計(jì)(集電靴如圖4(A)所示)。集電靴上安裝了多個(gè)矩形永磁體，如圖4(B)所示。當(dāng)轉(zhuǎn)向架進(jìn)入?yún)^(qū)段上方位置時(shí)，擋板打開(kāi)，集電靴落下，其中位于兩側(cè)的磁體起到矯正位置的作用，使集電靴正好落到區(qū)段的正上方，中心區(qū)域磁體的磁場(chǎng)使區(qū)段內(nèi)的彈性磁性鋼帶(與柔性供電帶相連)吸起，使其與正極觸點(diǎn)接觸，給有軌電車(chē)供電，稱之為激活狀態(tài)。當(dāng)有軌電車(chē)駛離區(qū)段區(qū)域，彈性磁條失去吸力的作用，在重力作用下落回初始狀態(tài)，與安全負(fù)極觸點(diǎn)連接，供電系統(tǒng)處于未激活狀態(tài)，此時(shí)汽車(chē)、行人均可安全通過(guò)該區(qū)域[3]。

圖4 集電靴及永磁體

3.1 現(xiàn)有集電靴永磁系統(tǒng)的仿真、模擬研究

根據(jù)現(xiàn)有磁體分布和性能，做了初步的仿真模擬計(jì)算，建立了仿真模型，編制了模擬計(jì)算程序[4]，主要結(jié)果如下：

(1)磁體空間磁場(chǎng)分析

由于多個(gè)磁體的磁場(chǎng)交互作用，在磁體周?chē)植记闆r比較復(fù)雜，因此我們首先對(duì)磁體靜態(tài)存在時(shí)的磁場(chǎng)的空間分布進(jìn)行了仿真模擬，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以明顯看到磁場(chǎng)在磁體周邊分布的情況。按現(xiàn)有設(shè)計(jì)，磁體在其周邊產(chǎn)生了較均勻的磁場(chǎng)，在紅色橢圓標(biāo)記位置形成了一個(gè)長(zhǎng)方體磁場(chǎng)云，磁場(chǎng)云的強(qiáng)度由磁體表面向外迅速衰減，在磁體表面磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到5～6 kGs，而在距表面75 mm后磁場(chǎng)為零。

圖5 磁體在非磁性板上的磁場(chǎng)分析

(2)磁體進(jìn)入供電區(qū)段后的磁場(chǎng)分析

集電靴進(jìn)入供電區(qū)段，在其正下方的磁性鋼帶會(huì)導(dǎo)致整個(gè)磁場(chǎng)的空間分布產(chǎn)生變化。磁性鋼帶是良好的導(dǎo)磁體，會(huì)把磁力線拽到鋼帶上，因此在鋼帶和磁體之間的磁場(chǎng)會(huì)明顯加強(qiáng)。根據(jù)永磁體區(qū)域尺寸建立一個(gè)鋼帶模型(360×120×5) mm，將該模型加入磁場(chǎng)中，重新對(duì)磁體磁場(chǎng)分布做仿真模擬。集電靴將鋼帶吸起后處于工作狀態(tài)(距離磁體表面30 mm處)的結(jié)果如圖6所示。此時(shí)磁體對(duì)磁性鋼帶的吸引力達(dá)到了240 N(鋼帶尺寸為仿真值)。

對(duì)磁體處于不同位置的鋼帶吸引力進(jìn)行了計(jì)算得到結(jié)果如圖7所示。磁體到達(dá)供電區(qū)段初始狀態(tài)，磁性鋼帶距離磁體表面約60 mm，鋼帶吸引上來(lái)進(jìn)入工作狀態(tài)后距磁體表面約30 mm。這兩個(gè)狀態(tài)鋼帶受到磁體的吸引力有很大差別，在60 mm時(shí)吸引力大約70 N，而30 mm時(shí)吸引力大幅度增加，約240 N。

圖6 磁性鋼帶距離磁體表面30 mm處后永磁系統(tǒng)的磁場(chǎng)分布

圖7 磁性鋼帶受到的吸引力和與磁體表面距離的關(guān)系

通過(guò)分析得出，現(xiàn)有永磁系統(tǒng)只需要70 N的力就可以將鋼帶保持在工作狀態(tài)，而多出來(lái)的170 N是為了在60 mm的遠(yuǎn)距離將鋼帶吸引起來(lái)。

由此可以發(fā)現(xiàn)既有永磁結(jié)構(gòu)存在的弊端：①為了使磁性鋼帶在較遠(yuǎn)的距離被吸引上來(lái)，必須使用磁性較強(qiáng)、體積較大的磁體；當(dāng)鋼帶被吸引上來(lái)后，磁體與鋼帶之間距離變小，在正常工作狀態(tài)，吸引力過(guò)大，容易造成不必要的磨損；②永磁體在工作過(guò)程中，會(huì)吸引大量的地面磁性雜物，這些雜物吸附在磁體下面的包覆層上很難清理。如果有較大雜物吸附，會(huì)導(dǎo)致?lián)醢蹇ㄗ?，無(wú)法回復(fù)。

3.2 磁場(chǎng)優(yōu)化方案

針對(duì)上述運(yùn)用中存在的問(wèn)題，擬對(duì)既有集電靴的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(1)在永磁體外加上電磁線圈，通入正向電流時(shí)，線圈產(chǎn)生與磁體相同方向磁場(chǎng)，可以增加吸引力，將距離較遠(yuǎn)的鋼帶從初始位置吸起[5]；當(dāng)通入反向電流時(shí)，線圈產(chǎn)生相反方向磁場(chǎng)，在磁體表面產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)相抵消的弱磁區(qū)，在磁體包覆層表面磁場(chǎng)降為零，這樣可以把工作過(guò)程吸附的雜物清理掉；

(2)減小磁體尺寸和更改磁體磁性參數(shù)和布置。集電靴在進(jìn)入工作區(qū)段時(shí)，由于增加了電磁輔助，在永磁體和電磁體的雙重磁場(chǎng)作用下，鋼帶從距離較遠(yuǎn)的初始位置被吸引上來(lái)，進(jìn)入工作狀態(tài)。此時(shí)不再需要這么大的吸引力，斷開(kāi)電磁輔助，僅使用永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)工作，在工作狀態(tài)下對(duì)鋼帶的吸力會(huì)減少，從而減少磨損。

4 總 結(jié)

采用地面供電方式取代通過(guò)架設(shè)接觸網(wǎng)供電的有軌電車(chē)更好的滿足了城市對(duì)節(jié)能環(huán)保和改善城市景觀的需求，珠海1號(hào)線有軌電車(chē)成為珠海一道靚麗的風(fēng)景線。目前經(jīng)過(guò)優(yōu)化改造的地面供電系統(tǒng)已經(jīng)在安全性、可靠性、適用性等方面得到了廣泛驗(yàn)證與提升，針對(duì)集電靴運(yùn)用中出現(xiàn)的問(wèn)題也將得到優(yōu)化解決。相信地面供電將成為越來(lái)越多城市有軌電車(chē)供電方案的新選擇。