雙源無(wú)軌電車氣動(dòng)控制型集電器及其應(yīng)用效果

北京公共交通控股（集團(tuán)）有限公司 孫 宇

雙源無(wú)軌電車的電能來(lái)源有兩部分，一部分來(lái)源于線網(wǎng)高壓電源，另一部分來(lái)源于車輛本身配置的動(dòng)力電池，由于配置的動(dòng)力電池容量有限，雙源無(wú)軌電車的驅(qū)動(dòng)主要源自線網(wǎng)高壓電源。集電器是無(wú)軌電車從架空線網(wǎng)獲取電能的裝置，當(dāng)集電器搭觸架空線網(wǎng)時(shí)，集電桿頂端的集電頭與線網(wǎng)觸線連通，架空線網(wǎng)的高壓電通過(guò)DCDC隔離電源整流后傳遞給動(dòng)力電池或驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為車輛提供源源不斷的動(dòng)力。氣動(dòng)控制型集電器是一種新型集電器，是對(duì)傳統(tǒng)集電器的升級(jí)改造，有著明顯的先進(jìn)性和可推廣性。

1 無(wú)軌電車傳統(tǒng)集電器結(jié)構(gòu)原理與存在問(wèn)題

1.1 傳統(tǒng)集電器結(jié)構(gòu)及工作原理

雙源無(wú)軌電車傳統(tǒng)集電器主要由升降機(jī)構(gòu)、集電機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)和固定機(jī)構(gòu)等部分組成，傳統(tǒng)集電器如圖1所示。

升降機(jī)構(gòu)是安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上可以使集電桿升桿和降桿的機(jī)構(gòu)，主要包括舉升彈簧總成、降桿氣室、集電桿前叉和壓集電桿搖臂等。當(dāng)集電桿降桿時(shí)，駕駛員按下降桿按鈕，降桿氣室內(nèi)的氣壓增加，推動(dòng)壓集電桿搖臂下壓集電桿前叉，使集電機(jī)構(gòu)脫線；升桿時(shí)，集電頭需位于捕捉器正下方，駕駛員按下升桿按鈕，降桿氣室解除壓力，在舉升彈簧總成拉簧作用下集電機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)集電頭通過(guò)捕捉器接觸至架空線網(wǎng)，使得整車電路與架空線網(wǎng)連通。

固定機(jī)構(gòu)是在集電桿下落到位后將其固定、防止集電桿左右晃動(dòng)的機(jī)構(gòu)。集電桿降至車頂處時(shí)，車頂尾部?jī)蓚€(gè)向下彎折的回轉(zhuǎn)掛鉤限制了集電桿水平旋轉(zhuǎn)，限位示意如圖2所示，升桿時(shí)，首先操控升降機(jī)構(gòu)的降桿氣室將集電桿下壓，再將回轉(zhuǎn)掛鉤旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，解除對(duì)集電桿上升空間的限制，集電桿即可順利完成上升動(dòng)作。此外，當(dāng)集電桿被掛鉤限位鎖定時(shí)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的鎖定閥門也會(huì)接通，壓縮空氣經(jīng)電磁閥進(jìn)入水平旋轉(zhuǎn)鎖定氣缸，推動(dòng)活塞桿鎖定旋轉(zhuǎn)器。通過(guò)雙重鎖定，集電桿的左右旋轉(zhuǎn)功能被限制。

1.2 傳統(tǒng)集電器存在的問(wèn)題

（1）自動(dòng)捕捉成功率較低。由于傳動(dòng)集電器捕捉成功的關(guān)鍵取決于車輛?？康奈恢檬欠窈线m，僅當(dāng)雙源無(wú)軌電車的集電頭?？吭诓蹲狡髡路綍r(shí)，集電器捕捉線網(wǎng)時(shí)才會(huì)捕捉成功。因此傳統(tǒng)集電器對(duì)駕駛員的駕駛技術(shù)要求較高，每當(dāng)車輛?？科x捕捉器時(shí)，均會(huì)造成捕捉失敗。

圖1 傳統(tǒng)集電器實(shí)物圖

圖2 固定機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

（2）手工搭桿存在安全隱患。當(dāng)集電器自動(dòng)捕捉未能成功時(shí)，需要駕駛員或乘務(wù)管理員下車手動(dòng)搭桿，基本上需要2-3min或者更長(zhǎng)時(shí)間，容易造成交通不暢。駕駛員或乘務(wù)員下車搭桿時(shí)，身體暴露在車流中，存在較大的安全隱患。

（3）故障率較高。傳統(tǒng)集電器解除降桿壓力時(shí)，由于拉簧的拉力較大，集電桿接觸線網(wǎng)時(shí)集電頭會(huì)對(duì)架空線網(wǎng)造成一定程度的沖擊，長(zhǎng)此以往會(huì)影響集電頭的使用壽命，致使集電頭故障率較高。

2 氣動(dòng)控制型集電器結(jié)構(gòu)原理與功能特點(diǎn)

氣動(dòng)控制型集電器是一種采用氣動(dòng)控制、圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)集電桿自動(dòng)捕捉線網(wǎng)的新型集電技術(shù)，具有先進(jìn)的自動(dòng)識(shí)別捕捉技術(shù)、脫線主動(dòng)和被動(dòng)安全技術(shù)，可有效解決傳統(tǒng)集電器的諸多問(wèn)題。相對(duì)于傳統(tǒng)集電器，氣動(dòng)控制型集電器主要對(duì)集電器的基座總成及尾部收桿座總成部分進(jìn)行了升級(jí)和優(yōu)化，集電桿和集電頭部分延用傳統(tǒng)集電器的結(jié)構(gòu)和技術(shù)。

2.1 氣動(dòng)控制型集電器主要結(jié)構(gòu)

圖3 氣動(dòng)控制型集電器主要構(gòu)造

氣動(dòng)控制型集電器主要由基座總成、集電桿、收桿座總成、集電頭總成等部分組成，整體構(gòu)造如圖3所示。

（1）基座總成。氣動(dòng)控制型集電器基座總成是集電桿的支撐部分，主要由四連桿機(jī)構(gòu)、拉力彈簧、底座組件、電控單元和氣控單元等部分組成（圖4），主要作用是控制和執(zhí)行集電桿的水平旋轉(zhuǎn)和垂直運(yùn)動(dòng)，是新型集電器的核心機(jī)構(gòu)。

（2）收桿座總成。氣動(dòng)控制型集電器收桿座總成主要用于集電桿的固定及對(duì)捕捉器的圖像采集和識(shí)別，由固定鉤總成、攝像頭、補(bǔ)光燈等部分組成（圖5）。

2.2 氣動(dòng)控制型集電器工作原理

氣動(dòng)控制型集電器具有自動(dòng)捕捉、自動(dòng)搭網(wǎng)功能，因此除正常智能控制外，還必須具有捕捉器信號(hào)采集、氣缸水平控制定位功能。按功能模塊劃分，氣動(dòng)控制型集電器主要包含整車開(kāi)關(guān)信號(hào)采集、整車網(wǎng)絡(luò)通信、捕捉器信息采集、高壓信號(hào)采集、氣壓檢測(cè)、電磁閥驅(qū)動(dòng)、傳感器信號(hào)檢測(cè)、攝像頭清洗驅(qū)動(dòng)、視頻模組驅(qū)動(dòng)等九大功能模塊。

圖4 基座總成主要構(gòu)造

圖5 收桿座總成主要構(gòu)造

圖6 車輛?？课恢檬疽鈭D

氣動(dòng)控制型集電器工作原理如下：駕駛員將車輛停在架空線網(wǎng)捕捉器下，其中車輛?？康淖笃嗷蛴移啵ㄜ囕v中心線到架空線網(wǎng)中心線的距離）不大于2m，如圖6所示。駕駛員按下上升按鈕，電控單元給出信號(hào)，電磁閥先驅(qū)動(dòng)集電桿向下運(yùn)動(dòng)使其脫離尾鉤限制，然后固定鉤總成把尾鉤打開(kāi)，電磁閥驅(qū)動(dòng)使集電桿緩緩升起；同時(shí)電控單元發(fā)送識(shí)別捕捉器指令，設(shè)置在車頂?shù)臄z像頭捕捉線網(wǎng)捕捉器的影像（捕捉器下邊緣倒三角特征），圖像處理單元分析捕捉器影像與攝像頭之間的相對(duì)位置關(guān)系，從而確認(rèn)車輛與線網(wǎng)之間的偏距，計(jì)算出集電桿旋轉(zhuǎn)角度，此時(shí)搖擺電磁閥驅(qū)動(dòng)集電桿旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置；集電桿在電磁閥的驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)上升直至捕捉到線網(wǎng)，具體控制策略如圖7所示。

圖7 氣動(dòng)控制型集電器控制策略

氣動(dòng)控制型集電器利用優(yōu)越的視覺(jué)軟件算法，克服戶外環(huán)境對(duì)視覺(jué)影像的干擾，極大提高了視覺(jué)影像偏距捕捉成功率。通過(guò)特定的偏擺運(yùn)動(dòng)算法，實(shí)現(xiàn)了大慣量情況下集電桿的擺動(dòng)控制及精確定位，從而奠定了高成功率的自動(dòng)捕捉功能。

2.3 氣動(dòng)控制型集電器功能特點(diǎn)

氣動(dòng)控制型集電器通過(guò)氣缸運(yùn)動(dòng)控制集電桿的垂直和水平運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)集電桿的自動(dòng)捕捉線網(wǎng)功能，與傳統(tǒng)集電器相比，主要有以下特點(diǎn)：

（1）具有集電桿自動(dòng)捕捉線網(wǎng)功能。在車輛偏離線網(wǎng)中心2m范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)集電桿的自動(dòng)捕捉，無(wú)需駕駛員手動(dòng)搭桿。

（2）具有集電桿脫線主動(dòng)保護(hù)功能。在發(fā)生大角度偏擺、集電桿脫網(wǎng)、線網(wǎng)有障礙物等情況下，無(wú)需駕駛員操作可實(shí)現(xiàn)集電桿主動(dòng)快速降桿回中到快降位置鎖緊，保護(hù)車輛、線網(wǎng)及道路交通安全。

（3）具有集電桿被動(dòng)保護(hù)功能。設(shè)有緊急降桿按鍵，車輛在運(yùn)營(yíng)期間若發(fā)生任何緊急狀況，駕駛員可通過(guò)操縱緊急按鍵，快速實(shí)現(xiàn)集電桿被動(dòng)脫線保護(hù)至快降位置鎖緊，脫線保護(hù)快速降桿執(zhí)行時(shí)間小于2s。

圖8 夜間環(huán)境采集的捕捉器圖像

3 氣動(dòng)控制型集電器應(yīng)用效果

截至2021年2月，氣動(dòng)控制型集電器在北京公交BJD-WG120FK型雙源無(wú)軌電車上應(yīng)用測(cè)試6個(gè)月，氣動(dòng)控制型集電器各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)情況及整體應(yīng)用效果良好。

（1）系統(tǒng)功能性。氣動(dòng)控制型集電器可在車輛中心線偏離線網(wǎng)中心±2m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)捕捉線網(wǎng)功能，對(duì)車輛停放位置要求較為寬松，而傳統(tǒng)集電器對(duì)車輛停放位置要求非常嚴(yán)苛，車輛必須停放在捕捉器正下方。相比而言，在集電器捕捉線網(wǎng)過(guò)程中，新型集電器降低了對(duì)駕駛員駕駛能力的要求，同時(shí)提升了車輛的運(yùn)行效率。

此外，在夜間測(cè)試環(huán)境下，收桿座總成的LED補(bǔ)光燈可有效保證圖像采集裝置清晰、準(zhǔn)確地采集到捕捉器圖像（圖8），保證集電桿在夜間環(huán)境精準(zhǔn)捕捉到線網(wǎng)。在雨天環(huán)境下，收桿座總成具有圖像采集裝置擦拭功能，可保證鏡頭在雨天或其他惡劣天氣下始終處于清潔狀態(tài)，同時(shí)圖像采集裝置安裝在防護(hù)罩內(nèi)，采集圖像時(shí)絕緣滑蓋可自動(dòng)打開(kāi)，使視覺(jué)影像得到有效防護(hù)（圖9）。

圖9 收桿座總成鏡頭保護(hù)功能示意

（2）系統(tǒng)可靠性。統(tǒng)計(jì)分析氣動(dòng)控制型集電器在整個(gè)測(cè)試期內(nèi)的自動(dòng)捕捉功能運(yùn)行情況可知，氣動(dòng)控制型集電器在操作升桿開(kāi)關(guān)到集電桿自動(dòng)捕捉線網(wǎng)動(dòng)作完成所需時(shí)間及操作降桿開(kāi)關(guān)到集電桿完成收桿動(dòng)作所需時(shí)間均在15s內(nèi)，可滿足集電桿自動(dòng)捕捉的時(shí)間要求，提升自動(dòng)捕捉效率。同時(shí)通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析集電器的一次捕捉完成情況可知，氣動(dòng)控制型集電器在整個(gè)測(cè)試期內(nèi)的自動(dòng)捕捉成功率在90%左右，而傳統(tǒng)集電器的一次捕捉成功率一般在65%左右，氣動(dòng)控制型集電器的自動(dòng)捕捉成功率大大提升。

（3）系統(tǒng)安全性。按照雙源無(wú)軌電車產(chǎn)品耐壓標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣動(dòng)控制型集電器進(jìn)行絕緣和耐壓測(cè)試，絕緣測(cè)試結(jié)果為高壓對(duì)車身絕緣阻值大于200MΩ；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行3500VAC/60s/50Hz條件下的耐壓測(cè)試，漏電電流小于10mA，表面無(wú)跳火和絕緣材料擊穿等現(xiàn)象，滿足雙源無(wú)軌電車的耐壓性能要求。

此外，還驗(yàn)證了氣動(dòng)控制型集電器的主動(dòng)與被動(dòng)脫線保護(hù)功能。在車輛發(fā)生大角度偏擺、集電桿脫網(wǎng)、線網(wǎng)有障礙物等情況下，主動(dòng)脫線保護(hù)功能可實(shí)現(xiàn)集電桿自動(dòng)快速降桿至快降位置并鎖緊的功能，氣動(dòng)控制型集電器脫線保護(hù)降桿迅速，執(zhí)行時(shí)間短，一般在1.7s左右，可有效避免降桿時(shí)間過(guò)長(zhǎng)集電桿橫掃周圍障礙，引發(fā)重大運(yùn)營(yíng)事故的問(wèn)題。當(dāng)車輛在運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生任何緊急狀況，駕駛員可通過(guò)緊急按鍵快速實(shí)現(xiàn)集電桿被動(dòng)脫線保護(hù)至快降位置并鎖緊的功能，被動(dòng)脫線保護(hù)快速降桿執(zhí)行時(shí)間在1.7s左右。

氣動(dòng)控制型集電器運(yùn)行穩(wěn)定，故障率較低，可有效提高無(wú)軌電車運(yùn)行效率，大大降低了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也避免了傳統(tǒng)集電器需駕駛員下車手動(dòng)搭桿所帶來(lái)的人身安全風(fēng)險(xiǎn)，值得在雙源無(wú)軌電車上推廣應(yīng)用。