樊 桃

(中國鐵建電氣化局集團有限公司 北京 100043)

1 前言

在電氣化鐵路中，受電弓的作用是將電能安全可靠地傳輸?shù)綑C車電動牽引裝置上。受電弓安裝在機車或動車車頂上，一般由主架、臂、弓頭和傳動裝置等部件組成[1]。

接觸網(wǎng)與受電弓的相互作用決定供電可靠性和供電質(zhì)量，其相互作用依賴于受電弓和接觸網(wǎng)的設(shè)計方案。接觸網(wǎng)及受電弓系統(tǒng)要求通過連續(xù)的電氣和機械接觸給牽引車輛供電，與此同時要使接觸線和滑板的磨耗保持盡可能低的程度。為了實現(xiàn)令人滿意的受流質(zhì)量，滑板與接觸線間的接觸壓力、過渡電阻、接觸面積等因素應(yīng)該遵循標準要求。

受電弓和接觸網(wǎng)相互作用的基本要求是：由于受電弓在運行中相對于接觸網(wǎng)橫向運動，而受電弓弓頭總是超出接觸線最不利的位置，只有在運行中接觸線不離開受電弓弓頭的工作范圍才能使系統(tǒng)順利運行。

目前國鐵及地鐵的受電弓的應(yīng)用研究比較成熟，受電弓主要由弓頭、框架、底架和傳動結(jié)構(gòu)四部分組成，受電弓種類繁多，按傳動系統(tǒng)的工作方式可分為彈簧操作式和非彈簧操作式，按照臂桿的結(jié)構(gòu)形式可分為單臂式和雙臂式。單臂弓和雙臂弓，均由滑板、上框架、下臂桿(雙臂弓用下框架)、底架、升弓彈簧、傳動氣缸、支持絕緣子等部件組成。其工作原理是將壓縮空氣經(jīng)電空閥均勻進入傳動氣缸或?qū)嚎s空氣經(jīng)受電弓緩沖閥迅速排向大氣，使受電弓勻速上升或下降脫離接觸網(wǎng)。列車通過安裝在車身上方的受電弓沿接觸線滑動，從接觸網(wǎng)取流，列車運行時弓網(wǎng)耦合作用是決定列車安全穩(wěn)定運行的重要因素之一。但是國鐵及地鐵均為有軌交通系統(tǒng)，其受電弓形式無法直接應(yīng)用于無軌運輸供電系統(tǒng)上。

在高速鐵路及城市軌道交通的弓網(wǎng)接觸力以及驅(qū)動方式?jīng)Q定了跟隨性能[2-3]。無軌電車系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大，且參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)[4]。受電弓動態(tài)特性主要為受電弓幅頻特性及其跟隨性，它與受電弓結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)[5-7]。無軌電車弓頂雙導(dǎo)電滑板在一定的高度范圍內(nèi)能夠隨網(wǎng)始終保持平面接觸、平行滑動，以保證弓和網(wǎng)之間緊密良好的電氣機械彈性接觸，從而穩(wěn)定地連續(xù)受電[8]。

針對礦井內(nèi)無軌運輸供電系統(tǒng)中接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及環(huán)境的特殊性，本文提出了與三軌式接觸網(wǎng)相匹配的受電弓裝置，并通過液壓和電控方式實現(xiàn)動態(tài)跟蹤、協(xié)調(diào)控制，保證了受電弓取流穩(wěn)定性和良好的弓網(wǎng)跟隨性。

2 結(jié)構(gòu)組成

剛性架空接觸網(wǎng)對隧道凈空要求相對較小，可節(jié)省土建費用[9]。針對礦井巷道的特點，無軌運輸供電系統(tǒng)的三軌式接觸網(wǎng)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由正極軌、負極軌和接地軌通過橫向懸掛的支撐絕緣子安裝固定，形成一個穩(wěn)定的倒三角型結(jié)構(gòu)。

圖1 三軌式剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)無軌運輸供電系統(tǒng)的礦井地面凹凸起伏特點以及更好地匹配上述結(jié)構(gòu)形式的接觸網(wǎng)，降低離線率，保證受電弓的跟隨性，同時在綜合考慮無軌運輸供電系統(tǒng)的受電弓的導(dǎo)向以及受電弓與正極軌和負極軌平順接觸和取流，受電弓的結(jié)構(gòu)以及控制方式就至關(guān)重要。

本文提出一種基于液壓彈簧復(fù)合動力系統(tǒng)，采用電控技術(shù)與液壓技術(shù)聯(lián)合控制的三極滑觸式受電弓裝置。其組成包括受電弓的弓頭、舉升機構(gòu)、底座以及液壓和電控系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 受電弓裝置結(jié)構(gòu)

2.1 受電弓弓頭

受電弓弓頭包括弓頭絕緣支架主體、受電碳刷組合、導(dǎo)軌輪組合、中心軸彈簧組合、彎板組合、軟銅排、接地刷組合，如圖3所示。

圖3 受電弓弓頭

(1)弓頭主體

絕緣支架主體作為受電弓弓頭的主體部件，由環(huán)氧樹脂絕緣材料沖壓成型，除了作為其他零件的安裝主體，還保證了電氣安全絕緣。絕緣材料制成的模具整體成型，其放射型的結(jié)構(gòu)保證弓頭絕緣，增大弓頭的爬電距離。彈簧軸采用銅合金，兩端螺桿上安裝內(nèi)彈簧、電纜、受電刷。上、下端蓋由不銹鋼制成，用于連接固定彈簧軸和本體，防止彈簧軸的左右擺動。內(nèi)彈簧承受電刷組合的重力，其慣性小，動作快，補償及時，能快速消除軌道不平順引起的振動。

(2)受電刷組合

受電刷分為正極、負極，分別安裝在絕緣支架的兩側(cè)和彈簧軸上端，主要包括受電刷和導(dǎo)電銅板。受電刷由鋁青銅制成，具有高耐磨抗腐蝕性，表面平直光滑，保證與導(dǎo)軌接觸平滑，用于從接觸網(wǎng)上取電；導(dǎo)電銅板采用銅銀合金，其中部和左右兩側(cè)開有不同直徑的通孔，中部通孔利用螺釘與受電刷相連，左右兩側(cè)通孔與彈簧軸連接。受電刷下部增加編織銅帶跳線及電纜連接轉(zhuǎn)接板，作為車輛取電電纜的連接固定點。

(3)導(dǎo)軌輪組合

導(dǎo)軌輪組合安裝在弓頭前后兩端，主要包括導(dǎo)軌輪、輪支架、軸套和拉簧。導(dǎo)軌輪和輪支架都采用不銹鋼制成，導(dǎo)軌輪兩側(cè)帶凸緣，實現(xiàn)受電弓導(dǎo)向，抑制脫軌；輪支架上焊接螺栓與弓頭主體連接。拉簧安裝在導(dǎo)軌輪左右兩側(cè)，調(diào)整導(dǎo)軌輪位置，有利于升弓。導(dǎo)軌輪與接觸網(wǎng)的接地導(dǎo)向軌接觸，保證了受電弓弓頭時刻跟隨接觸導(dǎo)軌前進不左右偏離。

(4)彎板組合

彎板組合利用螺栓安裝在弓頭主體底部，主要包括彎板和接近開關(guān)。彎板采用不銹鋼，折彎成型，上端開孔用于安裝接近開關(guān)。接近開關(guān)選用電容式接近開關(guān)，檢測受電弓運行狀況。

(5)接地刷組合

接地刷組合利用銷軸安裝在彎板組合上，主要包括轉(zhuǎn)臂、接地刷、連接導(dǎo)線。轉(zhuǎn)臂由不銹鋼制成，隨彎板自由轉(zhuǎn)動，調(diào)整接地刷高度。接地刷采用鋁青銅，連接接地電纜，實現(xiàn)整車接地。

(6)中心軸彈簧組合

中心軸彈簧是為了讓受電弓弓頭對接觸網(wǎng)保持有一定的壓力，保證弓頭不脫軌。中心軸彈簧組合主要包括中心軸彈簧、中心軸、上端蓋和軸套。中心軸由不銹鋼焊接成型，上端連接弓頭主體，下端連接舉升機構(gòu)；中心軸彈簧隨路面及凈空高度的變化而伸縮，快速消除振動，保證弓頭的跟隨性。

2.2 受電弓底座及舉升機構(gòu)

受電弓底座主要包括底座主體、固定轉(zhuǎn)接座、鎖定機構(gòu)、接近開關(guān)，如圖4所示。

圖4 受電弓底座

底座主體承接以上各部件及液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)，下部與車輛連接。固定轉(zhuǎn)接座通過銷軸與回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)接座鉸接，安裝受電弓舉升機構(gòu)。鎖定機構(gòu)包括鎖定油缸和擋塊。鎖定機構(gòu)在降弓到位后鎖定舉升機構(gòu)，其驅(qū)動部分為雙作用油缸。接近開關(guān)檢測舉升機構(gòu)是否降弓到位，當接近開關(guān)燈亮表示降弓到位，將信號反饋給電控系統(tǒng)。

受電弓舉升機構(gòu)包括腕臂組合、舉升油缸、回轉(zhuǎn)油缸，如圖5所示。

圖5 受電弓舉升機構(gòu)

腕臂組合如圖6所示，導(dǎo)電電纜用于傳輸電能；鎖定碰卡用于鎖定受電弓；圓形和方形桿在回轉(zhuǎn)油缸或舉升油缸的作用下實現(xiàn)轉(zhuǎn)動或抬升；水平拉線固定在受電弓弓頭上，其作用是保持受電弓弓頭平行于軌道；油缸連接板用于連接舉升油缸。

圖6 腕臂組合

舉升油缸如圖7所示。舉升油缸串聯(lián)壓縮彈簧，油缸伸出時，通過彈簧向接觸網(wǎng)施加壓力，保持滾輪對接地軌壓力。舉升油缸為雙作用油缸，行程181 mm，工作油壓20 MPa。油缸彈簧補償線路及軌道引起的導(dǎo)高長時間連續(xù)變化。

圖7 舉升油缸

回轉(zhuǎn)油缸為雙活塞桿油缸，驅(qū)動舉升機構(gòu)實現(xiàn)回轉(zhuǎn)，如圖8所示?；剞D(zhuǎn)油缸為中間絞軸式油缸，行程200 mm，工作油壓20 MPa。

圖8 回轉(zhuǎn)油缸

機械機構(gòu)配合液壓系統(tǒng)能快速靈敏實現(xiàn)受電弓的舉升動作，保證弓頭的運動軌跡。

3 控制系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)傳遞并實現(xiàn)對受電弓升降運動控制，控制機構(gòu)控制受電弓的升降弓運動[10]。為了解決普通氣缸的受電弓動作速度易受負載變化產(chǎn)生振動，容易發(fā)生弓網(wǎng)離線甚至脫弓事故、影響取流效果的問題，提出基于液壓彈簧復(fù)合動力的電動控制受電弓裝置。

液壓技術(shù)傳動平穩(wěn)、承載力大、易于實現(xiàn)過載保護[11]，而彈簧能快速反應(yīng)線路和接觸網(wǎng)不平順引起的振動，保持弓網(wǎng)良好持續(xù)接觸。中心彈簧是為了讓受電弓弓頭對接觸網(wǎng)保持一定的壓力，保證弓頭不脫軌。通過液壓缸和彈簧的串聯(lián)保證受流良好，避免發(fā)生脫弓、脫網(wǎng)等事故，很好地解決了傳統(tǒng)氣動傳動受電弓裝置存在的問題。

其中液壓彈簧復(fù)合動力系統(tǒng)由舉升油缸、回轉(zhuǎn)油缸、鎖定油缸構(gòu)成。舉升油缸中串聯(lián)一組彈簧，其作用是實現(xiàn)受電弓裝置的上下抬升動作和減振；回轉(zhuǎn)油缸控制受電弓左右回轉(zhuǎn)的動作。

液壓系統(tǒng)通過液壓閥組控制三個油缸動作，實現(xiàn)升弓、降弓、快速降弓、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、鎖定、解鎖、回轉(zhuǎn)鎖定等功能，液壓系統(tǒng)原理如圖9所示。

圖9 液壓原理

其中V1是電磁球閥，得電打開，失電關(guān)閉，液壓系統(tǒng)執(zhí)行任何動作，首先V1得電。V1失電關(guān)閉時，關(guān)閉整個受電裝置液壓系統(tǒng)高壓油源，以保持車輛蓄能器液壓油量。

通過各種液壓電磁閥的配置，實現(xiàn)不同的動作和功能。通過控制閥V1、V2得電時升弓，閥V1、V3得電時降弓，閥V1、V3、V4得電時快速降弓，閥V1、V5、V6得電和閥V1、V5、V7得電時分別實現(xiàn)左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，閥V1、V8得電和閥V1、V9得電時分別實現(xiàn)鎖定和解鎖，閥V1、V5得電時回轉(zhuǎn)鎖定，如表1所示。

表1 功能動作

液壓彈簧復(fù)合動力系統(tǒng)重量輕、體積小、運動慣性小、反應(yīng)速度快。其三個液壓缸能實現(xiàn)抬升、回轉(zhuǎn)和鎖定動作，使受電弓操作控制更簡單，其緊急保護功能大大提高了人、車的安全系數(shù)。與彈簧的串聯(lián)系統(tǒng)，使受電弓能適應(yīng)長時間、快頻率的振動，保證受電弓持續(xù)穩(wěn)定接觸供電軌，降低了脫弓事故的風險，提高運行可靠性。該受電弓采用電控技術(shù)與液壓技術(shù)聯(lián)合控制，實現(xiàn)了更高程度的自動控制過程。

電控系統(tǒng)采用PLC控制，包含位置監(jiān)測、通信、面板操作、繼電器動作等，如圖10所示。

圖10 電控系統(tǒng)

通過安裝在前后導(dǎo)向輪上的兩個接近開關(guān)來實現(xiàn)脫軌檢測，當兩個接近開關(guān)同時感應(yīng)到導(dǎo)軌時，則“升弓到位”指示燈亮，當兩個接近開關(guān)檢測不到導(dǎo)軌時，則認為脫軌，系統(tǒng)自動啟動快速降弓程序。

采用安裝在底座回轉(zhuǎn)位置的接近開關(guān)，檢測升降和回轉(zhuǎn)角度進行左右極限檢測，判別車輛是否偏離軌道，若檢測到極限信號則系統(tǒng)啟動快速降弓程序。

4 結(jié)束語

將本文提出的受電弓裝置在模擬試驗段及某礦井輔運平硐供電系統(tǒng)中進行了弓網(wǎng)冷滑及熱滑試驗，在試驗期間，受電弓裝置對接觸軌的跟隨性良好，試驗電車受流穩(wěn)定，接觸網(wǎng)系統(tǒng)零部件機械性能滿足電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件標準[12]，試驗工作取得圓滿成功。

本文提出的受電弓裝置是針對特殊的無軌運輸供電系統(tǒng)三軌式接觸網(wǎng)相適應(yīng)的重要部件，在礦井巷道的試驗驗證了該裝置的機械性能和電氣性能的可靠性和穩(wěn)定性。