趙金鳳，陳吉剛，趙云云，徐 陽，周 琳

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新型有軌電車供電系統(tǒng)地面供電模式研究

趙金鳳，陳吉剛，趙云云，徐 陽，周 琳

針對傳統(tǒng)有軌電車供電系統(tǒng)影響城市景觀的問題，提出了一種國產(chǎn)化地面供電系統(tǒng)，并對其設(shè)計思路、零部件結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)及工藝等進(jìn)行了闡述。

地面供電；鋼鋁復(fù)合接觸軌；工藝

0 引言

有軌電車是一種歷史悠久的交通工具，且近年來發(fā)展迅速。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，在市區(qū)架設(shè)架空接觸網(wǎng)影響城市景觀，為了避免該問題，有軌電車無觸網(wǎng)技術(shù)（儲能式有軌電車）得到飛速發(fā)展。儲能式有軌電車采用超級電容或其他儲能介質(zhì)作為車載儲能裝置，在特定地段（一般為車站）進(jìn)行快速充電，沿線其余區(qū)段不設(shè)置供電設(shè)施，通過車載儲能裝置保證列車的牽引動力。目前，國內(nèi)有軌電車（超級電容）多數(shù)只在站臺頂部架設(shè)接觸網(wǎng)，大大減小了接觸網(wǎng)對城市景觀的影響，但仍然存在接觸網(wǎng)外露的情況。若能將有軌電車和地面供電系統(tǒng)相結(jié)合，則可解決該問題。

1 有軌電車地面供電系統(tǒng)選型

目前，比較有代表性的有軌電車地面供電系統(tǒng)方案有3種，分別為阿爾斯通的APS、龐巴迪的PRIMOVE和安薩爾多的TRAMWAVE。這3種方案均采用地面供電系統(tǒng)向列車提供電力，但在具體實現(xiàn)方案上存在差異[1～3]。

APS系統(tǒng)的供電軌在外觀上如2條金屬片鑲嵌在絕緣軌上，基本構(gòu)成如圖1所示。探測回路處于供電軌之內(nèi)，接收來自圍繞在車輛中心下方集電靴四周天線的信號。當(dāng)需要向車輛供電時，車輛的信號感應(yīng)裝置偵測并傳遞信號給該區(qū)段的供電軌，供電系統(tǒng)被激活，此時車輛中間下方的供電軌帶電；當(dāng)集電靴駛離該區(qū)段后，電源箱立即切斷該區(qū)段供電軌的電源。

圖1 APS供電系統(tǒng)基本構(gòu)成示意圖

PRIMOVE技術(shù)基于電磁感應(yīng)技術(shù)，利用電能與磁場能相互轉(zhuǎn)化的原理，實現(xiàn)了電能的非接觸式傳輸。電氣元件隱蔽安裝于車底與軌道下方，當(dāng)感應(yīng)系統(tǒng)（圖2）檢測到車輛通過時接通電源，線圈產(chǎn)生的磁場被車輛底部安裝的受流器（圖3）感應(yīng)，并轉(zhuǎn)化為電能為車輛牽引系統(tǒng)供電。

圖2 PRIMOVE地面一次感應(yīng)線圈

圖3 PRIMOVE車載二次感應(yīng)線圈

TRAMWAVE地面供電系統(tǒng)采用獨(dú)特的自然磁力相吸技術(shù)為列車提供牽引電力。安裝在車輛轉(zhuǎn)向架上的受電靴與地面模塊的柔性導(dǎo)電排均裝有永磁材料，模塊斷面結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。當(dāng)受電靴經(jīng)過模塊供電節(jié)表面時，模塊內(nèi)的柔性導(dǎo)電排受磁力吸引上升，模塊導(dǎo)通供電。當(dāng)受電靴離開供電節(jié)表面后，柔性導(dǎo)電排受重力作用回落到安全負(fù)極位置，模塊表面失電，并使模塊供電節(jié)表面與安全負(fù)極相連，確保乘客人身安全。

圖4 TRAMWAVE嵌入式模塊斷面基本結(jié)構(gòu)

與PRIMOVE系統(tǒng)相比，APS系統(tǒng)可更好滿足儲能式有軌電車對短時大電流充電的需要；與TRAMWAVE系統(tǒng)相比，ABS系統(tǒng)接觸軌與集電靴之間接觸平穩(wěn)，不易產(chǎn)生相對移動中的拉弧問題，且運(yùn)營維護(hù)成本相對較低。通過對比可知，車載儲能式有軌電車采取APS地面供電系統(tǒng)最為適用。

2 設(shè)計思路

有軌電車（超級電容）地面供電系統(tǒng)采用信號控制設(shè)備控制供電機(jī)構(gòu)的開合。車輛進(jìn)站時，當(dāng)某段導(dǎo)電軌全部位于車輛下方并被車體包圍時，集電靴上的探測器發(fā)出信號，供電系統(tǒng)開始為該段導(dǎo)電軌供電；當(dāng)車輛駛離該段導(dǎo)電軌時，信號控制器再次發(fā)出信號，供電設(shè)備停止向該段導(dǎo)電軌供電，保證無車狀態(tài)下整套裝置不帶電，供電機(jī)構(gòu)安全可靠。

3 地面供電裝置結(jié)構(gòu)組成

地面供電裝置由鋼鋁復(fù)合軌和非金屬連接軌間隔組成，還包括非金屬支座、中間接頭/電連接、非金屬壓塊、信號控制器、供電機(jī)構(gòu)等。安裝完成后鋼帶面高出地面一定高度。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 地面供電裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 鋼鋁復(fù)合接觸軌基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)計算

本方案鋼鋁復(fù)合接觸軌為“C”形結(jié)構(gòu)，采用鋼帶與鋁軌機(jī)械復(fù)合方式：通過復(fù)合專機(jī)將鋼帶兩側(cè)的壁板與鋁軌本體復(fù)合，使鋁軌本體的部分材料擠入鋼帶兩側(cè)壁板上沿長度方向分布的一定數(shù)量的小孔中，形成牢固的銷軸連接，使鋼帶繃緊并緊貼于鋁軌本體表面，形成緊密的機(jī)械接觸。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.1.1 載流量的計算

鋼鋁復(fù)合接觸軌載流量計算[4]式為

式中，d為持續(xù)載流量，A；為鋁軌本體截面積，mm2；為鋁軌本體截面周長，mm；為系數(shù)，且

=1×2×3×4×5

空氣的材質(zhì)性能常數(shù)20= 35.4W-1·mm-2·m時1= 1.01；環(huán)境溫度air= 40℃時，2= 1.01；溫度增加到45℃時，3= 1.07；設(shè)施在露天、無強(qiáng)迫對流時，4= 1.02；接觸面表面潔凈時，5= 1.02，且有=1 489 mm2，= 367 mm，將以上數(shù)據(jù)代入式（1），得d= 1 926 A。

圖6 鋼鋁復(fù)合接觸軌結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.2 熱脹系數(shù)計算

實際線路中復(fù)合軌受環(huán)境溫度變化、通電后自身發(fā)熱等影響會產(chǎn)生熱膨脹，導(dǎo)致復(fù)合軌長度發(fā)生變化。不同的材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，鋼鋁復(fù)合軌采用擠壓技術(shù)將2種不同的材料結(jié)合，不銹鋼的熱膨脹系數(shù)為16.5×10-6K-1，鋁的熱膨脹系數(shù)為23.5×10-6K-1；不銹鋼的彈性模量為199× 103MPa，鋁的彈性模量為70.3×103MPa；不銹鋼的橫截面積為420 mm2，鋁的橫截面積為 1 490 mm2。

基于不銹鋼與鋁的不同膨脹量被完全平衡這個假設(shè)成立的基礎(chǔ)上進(jìn)行理論計算，最終的聯(lián)合膨脹量受2種材料的彈性模量和截面大小影響。

鋼鋁×(鋁×鋁+鋼×鋼)=(鋁×鋁×鋁)+(鋼×鋼×鋼) （2）

式中，鋼鋁為復(fù)合軌熱膨脹系數(shù)，鋼為不銹鋼熱膨脹系數(shù)，鋁為鋁的熱膨脹系數(shù)，鋼鋁為復(fù)合軌橫截面積，鋼為鋼帶橫截面積，鋁為鋁軌橫截面積，鋼鋁為接觸軌彈性模量，鋼為不銹鋼彈性模量，鋁為鋁的彈性模量。

將以上數(shù)值代入式（2）可得

鋼鋁= 20.4×10-6K-1

非金屬支座采用玻璃鋼復(fù)合材料，玻璃鋼的熱膨脹系數(shù)為(20～30)×10-6K-1，幾乎與鋼鋁復(fù)合軌熱膨脹系數(shù)一致，因此整套裝置在使用過程中不易產(chǎn)生由于溫度變化引起的變形、拱起等問題。

3.2 非金屬支座及壓塊

鋼鋁復(fù)合軌架設(shè)在非金屬支座上，通過非金屬壓塊將鋼鋁復(fù)合軌固定，支座和壓塊示意圖如圖7所示。非金屬支座及壓塊均采用專用不飽和樹脂拉擠成型，玻璃鋼復(fù)合材料具有耐老化、耐腐蝕、絕緣性及低溫性能優(yōu)良、阻燃性好等特點(diǎn)。采用拉擠生產(chǎn)工藝可實現(xiàn)連續(xù)規(guī)整截面零件的連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，零件的穩(wěn)定性好。

圖7 非金屬支座及壓塊示意圖

3.3 非金屬連接軌

非金屬連接軌由聚四氟乙烯模壓成型，具有強(qiáng)度高，耐磨性好等特點(diǎn)。其橫截面與鋼鋁復(fù)合軌橫截面相同（圖8），表面平整連續(xù)，端頭倒圓角，可保證集電靴平滑過渡，同時滿足分段供電需求。

圖8 非金屬連接軌示意圖

3.4 中間接頭/電連接接頭

中間接頭/電連接接頭用于連接相鄰2段復(fù)合軌并向鋼鋁復(fù)合軌供電，接頭外形結(jié)構(gòu)與復(fù)合軌內(nèi)腔完全匹配，限制了接頭的扭轉(zhuǎn)，保證續(xù)接的可靠性，結(jié)構(gòu)如圖9所示。接頭上預(yù)留4個螺紋孔，利用螺栓將相鄰軌連接固定，并保持軌面高度一致，高差控制優(yōu)良，保證系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)營時集電靴平滑受流，整體結(jié)構(gòu)安全可靠、連接便捷、安裝方便。接頭本體上焊接銅鋁過渡板，板上預(yù)留光孔，用于連接供電電纜。

3.5 堵頭

堵頭用于裝置兩端封堵，堵頭上預(yù)留進(jìn)線口，堵頭截面與非金屬支座形成緊密配合，無需螺栓連接固定，安裝方便。堵頭采用玻璃鋼模壓成型，機(jī)械、電氣、耐候性能可靠，阻燃性能優(yōu)良（圖10）。

圖9 電連接結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 玻璃鋼堵頭及安裝示意圖

4 主要參數(shù)

結(jié)合有軌電車地面供電系統(tǒng)的功能要求，提出了地面供電系統(tǒng)鋼鋁復(fù)合接觸軌的主要技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。

表1 鋼鋁復(fù)合接觸軌技術(shù)指標(biāo)

5 關(guān)鍵工藝

5.1 鋼鋁復(fù)合接觸軌

鋼鋁復(fù)合接觸軌制造工藝為單軌擠壓成型。鋁軌本體采用雙動正向擠壓成型機(jī)，將鋁坯進(jìn)行擠壓一次成型。精密的擠壓模具和最佳的工藝流程可以保證鋁軌本體表面光滑，避免裂紋、砂眼和損傷等缺陷。不銹鋼帶采用自主研發(fā)的數(shù)控軋輥成型生產(chǎn)線單獨(dú)加工并一次冷彎成型。鋼鋁復(fù)合采用獨(dú)特的機(jī)械復(fù)合工藝，實現(xiàn)了鋼鋁緊密、牢固的機(jī)械和電氣接觸，獲得了良好的導(dǎo)電性能，滿足了大電流連續(xù)移動傳輸?shù)囊?。為提高鋼鋁復(fù)合接觸軌的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性能，鋁軌本體選用鋁鎂硅合金材質(zhì)6101B（T6），該材質(zhì)具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、可熱處理等特點(diǎn)；不銹鋼帶采用耐磨性能優(yōu)異的10Cr17。

5.2 中間接頭/電連接接頭

中間接頭/電連接接頭是連接相鄰兩端軌且向?qū)щ娷壒╇姷牧慵浔倔w上焊有電連接銅鋁過渡板，防止電腐蝕，可以連接電纜。本體材質(zhì)為鋁鎂硅合金材質(zhì)6101B（T6），銅鋁過渡板材質(zhì)為6101B+ T2+1050A。接頭本體的輪廓與鋼鋁復(fù)合接觸軌腰面緊密接觸，確保滿足電流持續(xù)性的要求。

6 結(jié)語

與傳統(tǒng)的有軌電車（超級電容）供電系統(tǒng)相比，地面供電方式更美觀，無需在車站頂部設(shè)置充電裝置，徹底解決了架空接觸網(wǎng)影響自然景觀的問題。本文從結(jié)構(gòu)組成、材料選取、加工工藝等方面對地面供電裝置進(jìn)行設(shè)計，提出了解決方案。

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For aesthetics of tramcar power supply system, the paper puts forward a localized ground power supply system, and illustrates its design theories, structure of fittings, main parameters and process.

Ground power supply; steel aluminum composite contact rail; process

U223.6

A

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.015

1007-936X(2018)01-0061-04

2017-06-01

趙金鳳.中鐵電氣化局集團(tuán)寶雞器材有限公司，教授級高級工程師；

陳吉剛、趙云云.廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，高級工程師；

徐 陽.中鐵電氣化局集團(tuán)寶雞器材有限公司，工程師；

周 琳.中鐵電氣工業(yè)有限公司，教授級高級工程師。