王振全,李相泉

(比威(天津)電氣化系統(tǒng)有限責(zé)任公司, 天津 300400)

1 背景

隨著我國(guó)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中城市列為重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。與架空接觸網(wǎng)相比,鋼鋁復(fù)合接觸軌(或稱導(dǎo)電軌、三軌)供電系統(tǒng)具有使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)可靠、維修量少且容易、便于管理、電能損耗小和美觀等優(yōu)點(diǎn),因此,被越來越多的設(shè)計(jì)單位和用戶所采用。目前,我國(guó)地鐵線路的運(yùn)營(yíng)速度以80 km/h為主,北京地鐵昌平線、亦莊線的建設(shè)完成,反映了以北京、上海為代表的大型城市的軌道交通系統(tǒng)將逐漸向郊區(qū)延伸的發(fā)展趨勢(shì),設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)速度也將逐步提高,向120 km/h及以上發(fā)展。此外,在接觸軌供電系統(tǒng)電壓制式方面,DC750V和DC1500V系統(tǒng)的絕對(duì)優(yōu)劣還難以劃分,處于市場(chǎng)共存狀態(tài)。作為與接觸軌配套的受流器,也將隨之發(fā)展,因此有必要對(duì)受流器進(jìn)行系統(tǒng)研究,以保證車輛供電和運(yùn)行的可靠性。

2 受流器的功能和基本結(jié)構(gòu)

受流器的功能是經(jīng)由接觸軌系統(tǒng),把電力從地面配電站輸送到地鐵或輕軌車輛上。為了對(duì)車輛設(shè)備進(jìn)行保護(hù),受流器需要配置熔斷器。按照受流器的功能要求,受流器的主體包括受流靴機(jī)構(gòu)組合和熔斷器組合,對(duì)于氣動(dòng)方式,受流器系統(tǒng)需要配置壓縮空氣調(diào)壓裝置。根據(jù)受流靴機(jī)構(gòu)和熔斷器的安裝組合方式,市場(chǎng)上有2種基本的受流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu),一種是二者共用殼體的結(jié)構(gòu),稱為集成式；另一種是二者獨(dú)立安裝的結(jié)構(gòu),稱之為分體式。本文重點(diǎn)討論說明分體式受流器系統(tǒng)的特點(diǎn)和性能。

3 分體式受流器系統(tǒng)的安裝

以比威公司的受流器為例,受流靴機(jī)構(gòu)和熔斷器箱是基本獨(dú)立的,二者之間只有電纜連接。根據(jù)轉(zhuǎn)向架的空間和位置條件,可靈活選擇安裝方式。通常情況下,受流靴機(jī)構(gòu)和熔斷器箱與轉(zhuǎn)向架之間都設(shè)置接口板。為了滿足車輛限界的要求,可以調(diào)整受流靴機(jī)構(gòu)接口板的尺寸,而熔斷器箱安裝不受影響。若轉(zhuǎn)向架安裝空間允許,受流靴機(jī)構(gòu)和熔斷器箱可以共用一個(gè)接口板。在極端條件下,受轉(zhuǎn)向架空間所限,可以為熔斷器箱選擇其他適當(dāng)?shù)陌惭b位置。

4 分體式受流器滑靴的控制方式及其比較

受流器滑靴控制的任務(wù)有兩個(gè)：一是控制滑靴與三軌的接觸力；二是控制滑靴的起落。本文以接觸軌下接觸方式討論受流器滑靴的控制問題。對(duì)于接觸軌上接觸方式,情況類似。

為了實(shí)現(xiàn)受流器的穩(wěn)定可靠受流,避免意外脫離和電弧的產(chǎn)生,必需使受流器滑靴與接觸軌的壓力保持在合理的范圍內(nèi)。目前,接觸力的控制主要有彈簧調(diào)節(jié)方式和氣壓調(diào)節(jié)方式。

4.1 彈簧調(diào)節(jié)方式

彈簧調(diào)節(jié)方式的特點(diǎn)是,滑靴升起后(即：處于與接觸軌接觸的位置),利用彈簧的彈性回復(fù)力使滑靴與接觸軌保持一定的壓力,壓力的大小隨滑靴的高度而變化。典型產(chǎn)品如圖1所示。

圖1 彈簧調(diào)節(jié)接觸壓力的受流器及熔斷器

彈簧調(diào)節(jié)方式的受流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,滑靴與接觸軌的接觸壓力計(jì)算公式為

F(N)=P0+K1(D-D0)

(1)

式中P0——滑靴在縱向中心位置時(shí)的接觸壓力；

K1——接觸力與滑靴位移之間的比例系數(shù)；

D0——滑靴縱向中心位置的高度值(相對(duì)于走行軌軌面)；

D——滑靴實(shí)際高度值(相對(duì)于走行軌軌面)。

接觸壓力的特性曲線如圖2所示。

圖2 接觸軌壓力與接觸高度關(guān)系曲線

對(duì)于彈簧調(diào)節(jié)接觸力的受流靴,根據(jù)滑靴起落的控制方式,可分為手動(dòng)和氣動(dòng)兩種類型。

圖3 彈簧調(diào)節(jié)-氣動(dòng)/手動(dòng)落靴類型的受流器

手動(dòng)類型是指用專用絕緣桿操作,使滑靴處于升起或收縮的狀態(tài)。手動(dòng)類型一般要設(shè)計(jì)閂鎖裝置,使滑靴能夠借助絕緣桿,鎖定在收縮位置。當(dāng)需要滑靴升起時(shí),可用同一絕緣桿使滑靴脫離閂鎖狀態(tài)。氣動(dòng)類型是指滑靴的起落通過氣缸來控制。如圖3所示。為了提高控制的可靠性,在氣動(dòng)的基礎(chǔ)上,可以附加手動(dòng)控制方式,以防壓縮空氣系統(tǒng)故障。

4.2 氣壓調(diào)節(jié)方式

氣壓調(diào)節(jié)方式的特點(diǎn)是滑靴機(jī)構(gòu)帶有氣缸和氣壓調(diào)節(jié)閥,滑靴與接觸軌的接觸壓力隨供給氣缸的氣壓而變化,借助氣壓調(diào)節(jié)閥,把供給氣缸的氣壓保持在穩(wěn)定水平,從而達(dá)到穩(wěn)定接觸壓力的目的。配置氣壓調(diào)節(jié)閥以后,壓縮空氣的適應(yīng)范圍大,一般在300～1 000 kPa。氣動(dòng)施力方式的優(yōu)點(diǎn)是,只要供應(yīng)的空氣壓力在規(guī)定范圍內(nèi),調(diào)壓閥出氣壓力維持穩(wěn)定,則滑靴與三軌的接觸力能夠維持在較小的波動(dòng)范圍內(nèi),這種受流器如圖4所示。

圖4 氣壓調(diào)節(jié)接觸力類型的受流器

對(duì)于氣壓調(diào)節(jié)接觸力類型受流器,滑靴接觸壓力計(jì)算公式為

F(N)=K2P-mg

(2)

式中K2——壓力系數(shù),主要由氣缸的截面積決定；

P——供給氣缸的空氣壓力值；

m——滑靴組合的動(dòng)態(tài)質(zhì)量；

g——重力加速度。

說明：氣壓調(diào)節(jié)方式的接觸力原則上應(yīng)該是氣壓作用力減去滑靴動(dòng)態(tài)質(zhì)量作用力,此處計(jì)算作了簡(jiǎn)化,僅以滑靴重力代替。

由上面接觸壓力公式可知,當(dāng)氣缸和滑靴組合的結(jié)構(gòu)確定以后,接觸壓力隨著調(diào)壓閥輸出空氣壓力線性變化。

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中,對(duì)于接觸軌下接觸的情況,受流器滑靴的位置狀態(tài)有4個(gè)：一是與接觸軌接觸時(shí)的工作態(tài)；二是滑靴處在上截止位；三是滑靴處于閂鎖位置,即：滑靴鎖定在脫離三軌的預(yù)設(shè)位置；四是滑靴處于下截止位置。通過上述分析,受流器的控制方式可總結(jié)歸納為表1所示。

表1 受流器控制方式

4.3 控制方式對(duì)車輛運(yùn)行速度的適應(yīng)性

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論,受流器影響列車運(yùn)行速度的因素是接觸壓力。為了使滑靴在運(yùn)行過程中避免意外脫離接觸軌,在接觸軌高度方向彎曲程度最嚴(yán)重的部分(曲率半徑ρ最小),動(dòng)態(tài)接觸力不能為零,即：

對(duì)于彈簧調(diào)節(jié)的方式,由(1)式,就要確保

P0+K1(D-D0)≥mV2/ρ

(3)

對(duì)于氣壓調(diào)節(jié)的方式,由(2)式,就要確保

K2P-mg≥mV2/ρ

(4)

考慮到接觸軌安裝誤差、走行軌及車輪的磨損,(3)式左邊是變化的,在人工調(diào)整之前,隨著車輪磨損,左邊變小,在同樣初始條件下,運(yùn)行速度就要降低。從(4)式左邊可知,左邊的數(shù)值只受調(diào)壓閥輸出的壓力影響,若調(diào)壓閥輸出壓力不變,則車輛潛在最高運(yùn)行速度不受車輪及走行軌磨損的影響。

實(shí)踐調(diào)查數(shù)據(jù)表明,對(duì)于處于中低速的地鐵或輕軌受流而言,這兩種接觸力調(diào)節(jié)方法都是能夠滿足運(yùn)營(yíng)要求的。根據(jù)英國(guó)比威公司的經(jīng)驗(yàn),三軌和受流器在匹配良好的條件下,可以跑出160 km/h的速度,在英國(guó)有超過1 000 km的三軌供電軌道交通線路運(yùn)營(yíng)速度高達(dá)160 km/h,約占全部三軌供電線路的23%(數(shù)據(jù)來源：比威公司工程統(tǒng)計(jì))。

以上分析了三軌下接觸類型的受流器結(jié)構(gòu),三軌上接觸類型的受流器接觸力有相似的彈簧調(diào)節(jié)和氣動(dòng)調(diào)節(jié)的方式,這里不再贅述。

5 受流器系統(tǒng)可靠性、安全性、可維護(hù)性比較分析

受流器工作的環(huán)境條件嚴(yán)酷。第一,由于受流器安裝在車體外部,需長(zhǎng)期經(jīng)受溫度、濕度、污染、雨雪等極端環(huán)境條件的考驗(yàn)。第二,因?yàn)榻佑|軌表面并不是理想的光滑平面,所以受流靴在滑行過程中,受流器機(jī)構(gòu)經(jīng)受著振動(dòng)的作用。第三,根據(jù)線路狀況和電氣隔離需要,沿接觸軌線路還有一定數(shù)量的斷點(diǎn)存在,每個(gè)斷點(diǎn)處都要安裝端部彎頭,當(dāng)滑靴與端部彎頭接觸的瞬間,存在一定程度的沖擊。第四,受流器與車體和供電網(wǎng)相連接,需要確保良好的電氣絕緣性能,以免危及供電系統(tǒng)和人身安全。

在這種工作環(huán)境條件下,受流器在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面都要受到嚴(yán)格的限制。分體式受流器的設(shè)計(jì)思想源于提高關(guān)鍵部件的可靠性,并盡可能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔美觀、低成本。受流機(jī)構(gòu)和熔斷器箱的功能不同,而受流機(jī)構(gòu)不可避免地要承受振動(dòng)和沖擊的影響,振動(dòng)對(duì)熔斷器的正常工作不利。所以從布局設(shè)計(jì)考慮,可以強(qiáng)化受流機(jī)構(gòu)的抗振動(dòng)和沖擊的能力,把熔斷器箱進(jìn)行獨(dú)立安裝,避開振動(dòng)和沖擊影響。這樣設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),減少了防范振動(dòng)破壞的材料用量,同時(shí),分體安裝的形式減小了經(jīng)受振動(dòng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量,使結(jié)構(gòu)部件承受的應(yīng)力降低,有效減小了機(jī)械疲勞強(qiáng)度,因而延長(zhǎng)了部件的使用年限。如圖1和圖3所示分體式受流器,受流器結(jié)構(gòu)以及與轉(zhuǎn)向架接口板都采用金屬材料制作,可充分滿足車輛設(shè)計(jì)使用壽命30年以上的要求,平均無故障時(shí)間等可靠性技術(shù)指標(biāo)優(yōu)越。

如圖1和圖3所示的分體式受流器,滑靴絕緣板具有弱連接結(jié)構(gòu),遭遇障礙物時(shí),能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)性斷裂,避免對(duì)車輛造成損傷。在電氣絕緣方面,采用優(yōu)質(zhì)絕緣材料和科學(xué)的規(guī)范設(shè)計(jì),確保受流器在各種復(fù)雜環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)良好的電氣絕緣性能。

在維護(hù)方面,因?yàn)榉煮w式受流器獨(dú)立安裝,可獨(dú)立拆卸,受流部分和熔斷器部分關(guān)聯(lián)少,因此,操作方便且容易,顯著減少了維護(hù)所需時(shí)間。

6 分體式和集成式受流器的綜合比較

目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上集成式受流器和分體式受流器都有應(yīng)用。比較而言,集成式受流器采用整體防護(hù)、整體接口,外觀比較整潔,受流靴和熔斷器之間的連接電纜比較短；分體式受流器安裝靈活,可靠性較高。詳細(xì)情況如表2所示。

表2 分體式和集成式受流器的主要性能比較

7 結(jié)語

隨著大中型城市地鐵建設(shè)事業(yè)的發(fā)展,鋼鋁復(fù)合接觸軌的應(yīng)用將日益普及，作為與其配套使用的三軌受流器也將獲得發(fā)展。分體式受流器具有安裝靈活方便,運(yùn)行可靠,使用壽命長(zhǎng),維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì),可以為用戶帶來顯著的價(jià)值,有望在未來地鐵車輛上獲得更廣泛的應(yīng)用。

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