上海地鐵17號(hào)線受流器故障分析及改進(jìn)方案

曹海平

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司 上海 200235)

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的發(fā)展，中心城市快速擴(kuò)張，以地鐵和輕軌為代表的城市軌道交通被各大城市列為重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目[1]。受流裝置能將第三軌或高架線上的電流汲取到城市軌道車輛上，為城軌車輛的穩(wěn)定受流和正常運(yùn)行提供電力保障。受流裝置分為受流器、受電弓、受流器受電弓共用三種方式受流。根據(jù)受流方式，傳統(tǒng)車輛采用下部受流方式及上部受流方式，而磁懸浮、跨坐式單軌等新型城市軌道交通車輛的研制運(yùn)用，推動(dòng)了側(cè)部受流器的發(fā)展，受流器產(chǎn)品日趨多樣化[2]。上海地鐵17號(hào)線車輛通過受流器碳滑靴與帶電三軌相互接觸向全車提供用電，供電電壓為DC1 500 V，最高運(yùn)行速度為100 km/h；受流器為氣動(dòng)回收方式下部受流結(jié)構(gòu)，具有氣動(dòng)回收和鎖定功能，鎖定功能是為了保證有缺陷的受流器與三軌脫離。

1 受流器設(shè)計(jì)方案

上海地鐵17號(hào)線受流器由絕緣部件、支撐部件、動(dòng)力部件、手動(dòng)回退部件、氣動(dòng)回退部件、位置檢測(cè)部件、前臂絕緣部件(受流器弱連接)、電流輸出部件、碳滑靴部件(汲取電流)等組成。

受流器通過碳滑靴部件與三軌接觸，汲取電流，把電力傳輸?shù)搅熊嚿?，保障列車的正常運(yùn)行。受流器安裝在轉(zhuǎn)向架的下部，一套受流器由3個(gè)彈簧(2個(gè)牽引拉簧+1個(gè)回退拉簧)和4個(gè)彈性軸承(2個(gè)方軸承+2個(gè)圓軸承)組成的動(dòng)力部件，用于保證碳滑靴與三軌保持恒定的壓力，壓力值為(120±10)N。受流器絕緣部件背板具有齒條結(jié)構(gòu)，便于車輛鏇輪調(diào)整。氣動(dòng)回退部件有1個(gè)氣缸，可實(shí)現(xiàn)受流器的回位和鎖定功能。由1根120 mm2的電纜線連接在碳滑靴和熔斷器上用于供電。使用微動(dòng)開關(guān)對(duì)受流器碳滑靴的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 常見故障及原因分析

上海地鐵17號(hào)線開通運(yùn)營5年左右，受流器總體上運(yùn)行良好，但也出現(xiàn)了一些故障。常見故障如表1所示。

表1 受流器常見故障及原因統(tǒng)計(jì)表

受流器降靴功能使用的場(chǎng)景較多，受流器降靴卡滯對(duì)列車的影響如下：(1)列車正常調(diào)道作業(yè)時(shí)無法使用蓄電池牽引；(2)當(dāng)列車負(fù)載工作時(shí)，受流器降靴卡滯后碳滑板與接觸軌之間存在間隙導(dǎo)致拉弧，造成碳滑板及接觸軌不同程度的損壞。因此研究分析受流器降靴卡滯原因的意義重大。下文將對(duì)受流器的降靴組件以及卡滯故障的機(jī)理展開分析和研究。

3 受流器降靴卡滯原因分析

3.1 受流器降靴原理介紹

受流器降靴時(shí)，由氣缸帶動(dòng)回退控制齒板在導(dǎo)向軸上滑動(dòng)，再由回退控制齒板帶動(dòng)下部的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)降靴的聯(lián)動(dòng)功能。

3.2 氣動(dòng)回退三維模型及零件簡介

使用CATIA V5R21[3]軟件建立了氣動(dòng)回退的三維模型，如圖1所示。

圖1 氣動(dòng)回退三維模型

氣動(dòng)回退的工作順序：氣缸給氣→氣缸桿移動(dòng)→齒條沿著氣缸導(dǎo)桿向右移動(dòng)→齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)→手動(dòng)回退桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)→推桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)→回退凸輪推動(dòng)止動(dòng)件向下運(yùn)動(dòng)→推動(dòng)碳滑靴脫離三軌，如圖2氣動(dòng)回退軸測(cè)圖所示。

1—軸承；2—風(fēng)管；3—?dú)飧祝?—齒輪；5—齒條；6—?dú)飧讞U；7—導(dǎo)桿；8—手動(dòng)回退桿；9—旋轉(zhuǎn)桿；10—風(fēng)管；11—大拉簧；12—支撐架；13—小拉簧；14—推桿；15—轉(zhuǎn)向節(jié)；16—回退凸輪；17—回退止動(dòng)件；18—轉(zhuǎn)軸；19—壓板；20—碳滑靴。圖2 氣動(dòng)回退軸測(cè)圖

3.3 氣動(dòng)回退三維機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與力學(xué)模型

氣動(dòng)回退的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖3所示，其力學(xué)模型圖如圖4所示。

圖3 氣動(dòng)回退機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

圖4 氣動(dòng)回退機(jī)構(gòu)力學(xué)模型

根據(jù)力學(xué)模型，氣動(dòng)回退成功的數(shù)學(xué)模型如下：

N1×L+G×L0≥2F1×L1+F2×L2

(1)

式中：N1為推桿推力；L為推桿力臂；G為前端物體的重力；L0為重力的力臂；F1為大拉簧拉力；L1為大拉簧拉力的力臂；F2為小拉簧拉力；L2為小拉簧拉力的力臂。

N1=T1/L5

(2)

式中：T1為齒輪的力矩；L5為推力的力臂。

T1=F4×L4

(3)

式中：F4為齒條的推力；L4為齒條推力的力臂。

F4=F3-f

(4)

式中：F3為氣缸的推力；f為摩擦力。

F3=P1×πr2

(5)

式中：P1為氣缸的壓強(qiáng)；r為氣缸的半徑。

通過公式(1)可知，推桿的推力N>1 045 N時(shí)，氣動(dòng)回退成功。因?yàn)閺椈傻睦τ小?%的公差，趨于安全降靴，N>1 100 N時(shí)，滿足降靴要求。通過公式(2)-公式(4)，解得F3>1 193 N。

上海地鐵17號(hào)線地鐵車輛上提供的壓強(qiáng)為0.7 MPa，根據(jù)上述計(jì)算，F(xiàn)3>1 193 N的力能滿足氣動(dòng)降靴功能。由公式(5)解得，氣缸的直徑大于46.6 mm。又根據(jù)氣缸在受流器內(nèi)所占空間的大小，選擇氣缸直徑為50 mm時(shí)，需要產(chǎn)生1 193 N的推力，則氣缸的壓強(qiáng)通過公式(5)計(jì)算得出，P1>0.608 MPa時(shí)，氣缸才能推動(dòng)推桿，實(shí)現(xiàn)降靴。選擇氣缸直徑為63 mm時(shí)，需要產(chǎn)生1 193 N的推力，氣缸的壓強(qiáng)通過公式(5)計(jì)算得出，P1>0.383 MPa時(shí)，氣缸才能推動(dòng)推桿，實(shí)現(xiàn)降靴。

3.4 氣動(dòng)回退降靴卡滯原因分析

通過上述分析過程，氣缸處于理想工作狀態(tài)，沒有背壓，當(dāng)缸徑為50 mm時(shí)，各處的摩擦力比較小，滾動(dòng)摩擦忽略不計(jì)的前提下，直徑為50 mm的氣缸最小需要0.608 MPa的壓強(qiáng)推動(dòng)回退機(jī)構(gòu)。如果工作環(huán)境惡劣，有灰塵、雜質(zhì)、顆粒，會(huì)增大氣缸氣動(dòng)降靴的壓強(qiáng)，在車輛壓強(qiáng)為0.7 MPa的狀態(tài)下，冗余度比較小，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)降靴卡滯現(xiàn)象，影響車輛運(yùn)行安全。所以要定期噴潤滑劑WD-40來降低各處的摩擦因數(shù)、清洗各處的摩擦副，保證氣動(dòng)降靴回退的正常運(yùn)行[4]。

4 受流器改進(jìn)方案與工程試驗(yàn)

改進(jìn)方案1：通過受流器降靴卡滯原因分析，盡量減小各處的摩擦因數(shù)，提高零件的加工精度，會(huì)增加整個(gè)受流器的加工成本，定期維護(hù)，增加人力、物力的消耗。

改進(jìn)方案2：增加氣缸的直徑，由缸徑50 mm改為缸徑63 mm。氣缸直徑增大，氣缸所占空間增加，整體受流器會(huì)變大，要保證原先受流器的尺寸界限，把現(xiàn)有的受流器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的外觀如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后的受流器三維模型

將改進(jìn)方案2的受流器進(jìn)行試驗(yàn)，氣動(dòng)回退的最低壓強(qiáng)為0.38 MPa,如圖6所示。上海地鐵17號(hào)線車輛上提供的壓強(qiáng)為0.7 MPa，做試驗(yàn)將壓強(qiáng)調(diào)到0.65 MPa，一分鐘運(yùn)行10次，試驗(yàn)持續(xù)2個(gè)工作日，共運(yùn)行5 000次，未出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。上海地鐵17號(hào)線車輛5年修程的氣動(dòng)回退機(jī)構(gòu)疲勞交替循環(huán)，循環(huán)次數(shù)為3 650次。滿足上海地鐵17號(hào)線車輛運(yùn)行5年時(shí)間共3 650次的氣動(dòng)降靴次數(shù)。試驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖6 改進(jìn)后的受流器圖7 氣動(dòng)降靴工程試驗(yàn) 最低壓強(qiáng)試驗(yàn)

5 結(jié)論

上文通過對(duì)上海地鐵17號(hào)線受流器的研究和分析，找到了氣動(dòng)降靴卡滯的原因，提出了改進(jìn)的方案，再滿足現(xiàn)有受流器限界要求的前提下，對(duì)現(xiàn)有受流器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，試驗(yàn)運(yùn)行可靠。直徑63 mm氣缸比直徑50 mm氣缸更加安全，又能減少維護(hù)成本，提高效益。為交通擁擠城市的安全運(yùn)行提供了保證。