跨座式單軌車輛受流器設(shè)計(jì)

劉麗娜，周仁旭

（中車浦鎮(zhèn)阿爾斯通運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司，安徽 蕪湖 241006）

1 車輛受流器的配置

每輛車輛配置兩組供電受流器，每組供電受流器包括一套正極受流器和一套負(fù)極受流器[1]。每套受流器由兩個(gè)碳滑板組成，通過動(dòng)力電纜分別連接車輛供電系統(tǒng)的正極和負(fù)極，其中上部碳滑板連接負(fù)極電纜，下部碳滑板連接正極電纜，兩套受流器對稱布置在車身兩側(cè)，通過與750 V 正極供電軌和0 V 回流軌耦合形成回路[2]。

與地鐵車輛的第三軌受流方式有所不同，跨坐式單軌車輛的正極供電軌和回流軌分別安裝在導(dǎo)梁兩側(cè)，安裝垂直方向設(shè)計(jì)了安裝高度差，使得兩根供電軌分別與對應(yīng)的受流器碳滑板接觸，受流器與供電軌耦合后，供電軌電流依次通過碳滑板、不銹鋼托架、動(dòng)力電纜、熔斷器、輸出電纜，進(jìn)入車輛牽引及輔助供電系統(tǒng)。這種安裝方式可以滿足受流器的互換性，同時(shí)也可以在車輛折返運(yùn)行時(shí)確保供電系統(tǒng)正常受流供電。

2 受流器的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 受流器的結(jié)構(gòu)

受流器主體設(shè)計(jì)采用雙臂聯(lián)動(dòng)式雙靴結(jié)構(gòu)，兩根絕緣擺臂分別連接上、下兩個(gè)碳滑板，外部安裝絕緣蓋板進(jìn)行加固，聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)可確保兩個(gè)碳滑板同步動(dòng)作，通過兩根拉簧使受流器碳滑板在設(shè)定范圍的靜壓力下與供電軌始終保持接觸狀態(tài)，如圖1、2 所示。

圖1 受流器安裝

圖2 受流器結(jié)構(gòu)

受流器的蓋板和擺臂采用SMC 復(fù)合材料，該材料具有良好的防水絕緣性能、機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)防腐性等特點(diǎn)，采用非金屬材料同時(shí)也滿足了車輛輕量化設(shè)計(jì)理念。

受流器的碳滑板采用碳銅復(fù)合材料，具有較高的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和沖擊韌性以及較低的電阻率，滿足受流器載流能力的同時(shí)具有較好的磨耗性能。碳滑板采用寬度68 mm 設(shè)計(jì)，滿足車輛各種運(yùn)動(dòng)工況下與供電軌的有效接觸范圍。磨耗面采用弧面設(shè)計(jì)，能夠適應(yīng)震動(dòng)、傾斜等動(dòng)態(tài)條件下，碳滑板與供電軌平穩(wěn)接觸，不會(huì)發(fā)生卡滯、偏磨、沖擊碰撞。

2.2 受流器的安裝

受流器直接安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架安裝座上，因此碳滑板的垂向位置高度隨轉(zhuǎn)向架垂向運(yùn)動(dòng)而變化。

跨座式單軌車輛走行輪采用的是橡膠充氣輪胎，當(dāng)車輛載重變化時(shí)輪胎壓縮量也隨之發(fā)生變化，同時(shí)車輛的運(yùn)行速度、側(cè)向風(fēng)、走行面狀態(tài)、通過曲線等因素也會(huì)引起輪胎彈跳或壓縮。車輛正常行駛時(shí)的胎面磨損。低胎壓或爆胎等因素都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架高度發(fā)生變化，受流器的垂向位置隨之不斷改變，最終導(dǎo)致碳滑板與供電軌的接觸狀態(tài)不斷變化。受流器底座采用可調(diào)節(jié)的齒條板設(shè)計(jì)，底座通過4 顆螺栓安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，根據(jù)車輛垂向運(yùn)動(dòng)分析，確定受流器的初始安裝位置，以滿足車輛不同運(yùn)行工況下碳滑板與供電軌始終保持有效的動(dòng)態(tài)接觸范圍，可確保電流持續(xù)穩(wěn)定。

2.3 受流器的限位

當(dāng)車輛通過道岔或洗車棚等無電區(qū)域時(shí)，供電軌末端通過連接一個(gè)小角度的楔形絕緣道岔過度到導(dǎo)梁表面，失去來自供電軌表面的反作用力支撐，受流器碳滑板在拉簧機(jī)構(gòu)的作用下會(huì)繼續(xù)向?qū)Я悍较蛲七M(jìn)，超出車輛限界。因此，受流器安裝了3 個(gè)限位止擋，在滿足車輛橫向動(dòng)態(tài)位移行程的前提下，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)限位止擋設(shè)置一個(gè)極限位置，當(dāng)車輛進(jìn)入無供電軌區(qū)域時(shí)，擺臂繼續(xù)推進(jìn)直到彈性限位止擋在機(jī)構(gòu)內(nèi)部被壓縮到極限，擺臂的運(yùn)動(dòng)將被限制停止，碳滑板的橫向位移被限制在水平限界范圍內(nèi)。

2.4 受流器的鎖定

車輛吊運(yùn)過程，或者受流器進(jìn)行維修更換碳滑板時(shí)，需要將擺臂拉回，使碳滑板脫離供電軌，受流器設(shè)計(jì)了鎖定機(jī)構(gòu)以完成此操作。

手動(dòng)操作向背離導(dǎo)梁方向拉動(dòng)擺臂到最大限位并保持狀態(tài)（供電軌斷電操作），使碳滑板脫離供電軌表面，推進(jìn)鎖緊手柄使其穿過絕緣蓋板后部的鉤頭，當(dāng)墊片和插銷完全通過，緩緩放松拉開的擺臂直到手柄插銷與鉤頭內(nèi)曲面接觸并抵住，此時(shí)受流器鎖定。解鎖受流器將擺臂再次拉開，拉出手柄使墊片和插銷離開鉤頭，緩緩釋放擺臂直到碳滑板回到工作位置。

3 受流器的電氣性能

作為整車的電力采集終端，受流器的電氣性能是否滿足車輛供電需求是評價(jià)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。根據(jù)車輛供電系統(tǒng)參數(shù)以及IEC 60077 標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求對受流器進(jìn)行電氣性能檢測。

3.1 絕緣電阻

受流器從供電軌取流后，電流通過高壓電纜傳輸?shù)杰囕v供電系統(tǒng)，受流器本體的絕緣性能應(yīng)符合表1的測試要求。

表1 絕緣電阻測試參數(shù)

3.2 沖擊耐壓

測試受流器在雷電過電壓、操作過電壓等沖擊電壓作用下的絕緣性能和保護(hù)性能，受流器按照表2 進(jìn)行沖擊耐壓測試。耐壓測試后受流器的材料絕緣性能不得下降，復(fù)測受流器絕緣電阻符合表1 的要求。

表2 沖擊耐壓測試參數(shù)

3.3 振動(dòng)沖擊

受流器安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，其振動(dòng)沖擊按照標(biāo)準(zhǔn)IEC 61373 中2 類轉(zhuǎn)向架安裝執(zhí)行，包括功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、模擬長壽命試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。具體見表3、表4、表5。

表3 功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

表4 耐久試驗(yàn)

表5 沖擊試驗(yàn)

3.4 溫升試驗(yàn)

受流器在正常工作時(shí)，由于通過大電流導(dǎo)致元件發(fā)熱，自身的溫度升高，長時(shí)間在這種狀態(tài)下工作，可能會(huì)降低絕緣材料性能，從而導(dǎo)致設(shè)備電擊、燙傷或著火等危險(xiǎn)，通過溫升試驗(yàn)來檢測設(shè)備的電氣安全特性。

測試受流器接通額定電流300 A，系統(tǒng)達(dá)到熱穩(wěn)定后施加600 A 峰值電流，持續(xù)時(shí)間20 s，測量電纜連接點(diǎn)溫升值應(yīng)小于70 K。

3.5 熔斷器

每組受流器連接一個(gè)額定電流600 A 的熔斷器箱。按照每輛車兩組受流器的配置，當(dāng)其中一組受流器發(fā)生故障不能供電的情況下，另一組受流器可以滿足整車的供電需求，此時(shí)熔斷器不觸發(fā)熔斷動(dòng)作。熔斷器箱體帶有觀察視窗，用于觀察熔斷觸發(fā)情況。熔斷器箱體的防護(hù)等級為IP65，并設(shè)置有冷凝水出口，用于排出由于溫度變化而產(chǎn)生的冷凝水。

3.6 正線受流試驗(yàn)

車輛正線測試需進(jìn)行受流試驗(yàn)，用離線火花檢測儀測定離線發(fā)生的地點(diǎn)和次數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析燃弧時(shí)間和燃弧率，離線次數(shù)小于1 次/160 m，離線率不大于5%，一次最大離線時(shí)間不大于100 ms。測試和記錄受流器在運(yùn)行過程中的橫向沖擊加速度小于300 m/s2。

4 受流器的機(jī)械性能

單軌車輛通常采用高架線路運(yùn)行，受流器的機(jī)械性能需滿足在車輛運(yùn)行環(huán)境和不同工況下的可靠性和穩(wěn)定性要求。

4.1 高、低溫測試

車輛在不同項(xiàng)目運(yùn)行，受流器設(shè)備需適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度和氣候特點(diǎn)，同時(shí)還要考慮車輛出入庫的溫差變化對受流器的影響。通過高、低溫測試，要求受流器設(shè)備滿足環(huán)境溫度變化下，機(jī)械性能穩(wěn)定。

測試要求受流器分別在70 ℃和-25 ℃的試驗(yàn)環(huán)境中靜置24 h 后，檢測受流器的零部件無損壞，機(jī)械功能正常，往復(fù)活動(dòng)靈活，無卡滯或異響，受流器的電氣功能不受損傷。

4.2 疲勞壽命特性

車輛運(yùn)行過程中，隨著車輛的橫向振動(dòng)、垂向振動(dòng)，以及通過曲線道路，受流器長期處于動(dòng)態(tài)疲勞狀態(tài)，機(jī)械結(jié)構(gòu)需滿足耐久性能測試。

受流器在試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行至少107次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以驗(yàn)證整體的疲勞強(qiáng)度滿足車輛運(yùn)行的要求，測試后緊固件扭矩?zé)o松動(dòng)，機(jī)構(gòu)活動(dòng)靈活無卡滯或異響，碳滑板無擦傷或開裂，彈簧及主體結(jié)構(gòu)件無損傷，電纜和端子無損傷。

4.3 碳滑板與供電軌的接觸靜壓力

碳滑板與供電軌的接觸靜壓力取決于彈簧剛度特性、碳滑板的水平位置和受流器機(jī)構(gòu)的裝配公差。不穩(wěn)定的接觸壓力易產(chǎn)生離線火花，影響車輛供電穩(wěn)定性。受流器將接觸靜壓力范圍設(shè)置在120 ～ 180 N之間，碳滑板處在正常工作位的接觸靜壓力值為150 N，可以確保碳滑板與供電軌接觸良好，穩(wěn)定取流供電，同時(shí)在不損傷供電軌表面剛度的前提下，碳滑板能達(dá)到最大的磨耗壽命。

4.4 耐腐蝕性

受流器安裝在車下，屬于車輛外部安裝設(shè)備，在車輛運(yùn)行過程中會(huì)接觸到環(huán)境中的雨水、酸堿、油污、塵土等污染物，為防止部件被環(huán)境侵蝕損傷機(jī)械結(jié)構(gòu)，部件材料應(yīng)采取一定的防腐措施保護(hù)設(shè)備不受腐蝕侵害。安裝背板、碳滑板托架等金屬部件采用耐腐蝕材料并做好表面防腐處理。非金屬部件滿足絕緣性能和防火性能的前提下，應(yīng)具備一定的抗氧化、耐腐蝕特性。

5 結(jié)語

跨座式單軌車輛采用橡膠車輪實(shí)現(xiàn)車輛減震、降噪效果的同時(shí)也帶來了新的問題，充氣橡膠輪胎的壓縮變形伴隨著轉(zhuǎn)向架的垂向高度變化，使得受流器碳滑板與供電軌的耦合面發(fā)生相對位移。但是采用側(cè)部受流的方式能夠確保碳滑板與供電軌始終保持有效接觸和受流，給車輛系統(tǒng)穩(wěn)定供電。