隨著儲(chǔ)能元件的發(fā)展以及節(jié)能、環(huán)保等城市軌道交通發(fā)展理念不斷提升,儲(chǔ)能式有軌電車應(yīng)運(yùn)而生。 儲(chǔ)能式有軌電車使用儲(chǔ)能元件來(lái)存儲(chǔ)電能作為動(dòng)力進(jìn)行牽引,車輛通過(guò)安裝在車頂?shù)氖茈娖髋c接觸軌接觸獲取電流,利用車輛進(jìn)出站以及乘客上下車的 30s 時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能裝置的充電,具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

本文以某型有軌電車車輛為研究對(duì)象,對(duì)受電器碳滑板的實(shí)際磨耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,制訂優(yōu)化方案,驗(yàn)證實(shí)施效果,有效優(yōu)化碳滑板使用壽命,節(jié)約運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本和更換碳滑板工作量。

1 車輛概述

列車為 4 模塊鋼輪鋼軌儲(chǔ)能式有軌電車,三動(dòng)一拖,車輛*高運(yùn)行速度為 70km/ h,運(yùn)行線路為地面及高架線路。

車輛配置一個(gè)小型受電器,受電器主要由絕緣子組裝、底架組裝、拉桿組裝、下臂桿組裝、上框架組裝、平衡桿組裝、弓頭組裝等組成,受電器的主體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

受電器采用鉸接的平行四邊形結(jié)構(gòu),此平行四邊形結(jié)構(gòu)固定一條邊垂直于車頂面,以此固定邊端點(diǎn)為鉸接點(diǎn),在外界拉力的作用下,平行四邊形一條邊繞此鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng),由于平行四邊形相對(duì)邊平行的性質(zhì),可以保證與固定邊相對(duì)的邊保持豎直狀態(tài)上升,因此可以保證升降弓過(guò)程中,受電器弓頭保持水平。

在弓頭滑板通過(guò)弓頭懸掛連接的下臂桿上,弓頭受到網(wǎng)線的沖擊作用,通過(guò)弓頭懸掛中的彈簧組件得到緩解,延長(zhǎng)弓網(wǎng)之間的碰撞事件,從而降低弓網(wǎng)之間的作用力,延長(zhǎng)部件的疲勞壽命。

弓頭懸掛分兩部分,限位架與轉(zhuǎn)軸鉸接,限位架在平衡桿的控制下繞轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),保證在升弓過(guò)程中角度不變。 卷簧連接在限位架上,并被限制在限位架中,當(dāng)卷簧受力時(shí),可以上下運(yùn)動(dòng),并可以進(jìn)行扭轉(zhuǎn)。

受電器的滑板與供電軌之間接觸受電,考慮到進(jìn)入充電時(shí),受電器滑板與供電軌有比較大的碰撞力,因此選用導(dǎo)電性能良好的金屬銅板作為滑板的材料,受電器接觸滑板為 10mm×100mm×420mm 的銅板。

受電頭是直接與供電軌接觸的部件,接受電流并承受與供電軌之間的振動(dòng)和沖擊。 一般需承載 2400A、持續(xù)時(shí)間 30s 的工作電流。

導(dǎo)流線與滑板連接,用來(lái)將電流從滑板直接傳導(dǎo)至底架電流接線端子。

受電器滑板通過(guò) 16 個(gè)沉頭螺栓連接在活動(dòng)架上,車輛進(jìn)站,滑板受到接觸軌壓迫時(shí),滑板與活動(dòng)架在限位架的約束條件下向下運(yùn)動(dòng),在四個(gè)彈簧的作用下,銅滑板與接觸軌充分貼合受電。

每個(gè)受電器共 8 塊碳滑板,用螺栓安裝,單個(gè)碳滑板長(zhǎng)度 200mm,厚度 10mm,結(jié)構(gòu)有效磨耗 6mm。

根據(jù)多個(gè)項(xiàng)目實(shí)際使用情況,磨耗到限的壽命約40000 ~ 60000km。

2 受電器滑板壽命影響因素

滑板壽命主要與以下因素有關(guān):

(1)充電電流與時(shí)間,滑板壽命與充電電流及時(shí)間成反比。

(2)供電軌寬度,滑板壽命與供電軌寬度成反比。

(3)供電軌拉出值,滑板壽命與拉出值的大小成正比。

(4)滑板有效磨耗厚度,滑板壽命與滑板有效磨耗厚度成正比。

本文從受電器自身角度考慮使用壽命優(yōu)化的方案。

根據(jù)以往項(xiàng)目實(shí)際使用數(shù)據(jù),磨耗到限的壽命約 40000~60000km,即碳滑板平均磨耗量約為 1. 0 ~ 1. 3mm/ 10000km。為達(dá)到 100000km 壽命水平,單塊滑板能夠提供的磨耗量需達(dá)到 13mm 以上。

3 方案優(yōu)化

3. 1 優(yōu)化碳滑板厚度,將滑板厚度由 10mm 增加至 15mm

3. 1. 1 受力計(jì)算

滑板由目前的 10mm 厚度更換為 15mm 厚度,整個(gè)弓頭重量增加 1. 82kg。

以下臂桿與底架的支點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)中心,進(jìn)行受力分析:

ΔF×L1×cosα=ΔP×L2×cosβ

已知 L1 = 650mm,L2 = 129mm, β = 34°, α = 8°,ΔP =1. 82×9. 8 = 17. 9N。

根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算彈簧作用力增加量 ΔF= 75. 5N。

采用兩個(gè)彈簧,每個(gè)彈簧力增加 75. 5 / 2 = 37. 7N。

彈簧剛度為 3. 06N/ mm,彈簧伸長(zhǎng)量 = 37. 7 / 3. 06 =12. 3mm。

滑板重量的增加,通過(guò)增加彈簧伸長(zhǎng)量實(shí)現(xiàn),螺栓伸長(zhǎng)量 12. 3mm。

目前螺栓可調(diào)節(jié)量 65mm,大于 12. 3mm,滿足設(shè)計(jì)要求。

3. 1. 2 電氣性能

當(dāng)滑板的厚度由 10mm 增加到 15mm 后,只會(huì)影響整體電阻,測(cè)量結(jié)果可以忽略不計(jì)。 對(duì)電氣性能的影響可以忽略不計(jì)。

3. 2 優(yōu)化對(duì)稱安裝結(jié)構(gòu)

滑板安裝接口優(yōu)化為對(duì)稱結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn) 180°反轉(zhuǎn)安裝,充分利用滑板的長(zhǎng)度。

3. 3 優(yōu)化方案應(yīng)用效果

新型受電器碳滑板(可 180°調(diào)裝)新件厚度為 15mm,對(duì)調(diào)安裝后碳滑板厚度為 15mm。 根據(jù)碳滑板檢修更換標(biāo)準(zhǔn)(低于 4mm),其有效磨耗厚度為 11mm,即新型碳滑板有效磨耗厚度實(shí)際為 11×2 = 22mm。 能夠滿足的使用壽命22/ 1. 3 = 169000km。 優(yōu)化前磨耗到限的壽命約 40000 ~60000km,使用壽命得到大幅提高。

3. 4 受電器滑板長(zhǎng)度分析

受電器安裝在車頂轉(zhuǎn)向架正上方,受電器中心線與車體中心線重合,為使滑板均勻磨耗,站臺(tái)區(qū)域供電軌兩端分別向軌道線路中心的相反方向偏離,稱該偏離值為拉出值,由標(biāo)準(zhǔn) Q/ TX B1-016-2016《儲(chǔ)能式軌道交通車輛受電器與供電軌相互作用準(zhǔn)則》 5. 2. 4 可知,供電軌的拉出值取70mm,拉出值滿足WS+ML<200mm,拉出值示意圖見(jiàn)圖 11。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) Q/ CRRC J 1028-2020《城市軌道交通 儲(chǔ)能

式受電器》5. 11,受電器橫向位移,受電器滑板不與導(dǎo)電軌

脫離,應(yīng)滿足下式要求:

W1/ 2>ML+WS+(W2+H1+H2+H3 ) / 2

由上式可知,滑板長(zhǎng)度應(yīng)大于 186mm。

為增加滑板使用壽命,滑板設(shè)計(jì)為對(duì)稱結(jié)構(gòu),在滑板磨耗到一定程度時(shí)將其翻轉(zhuǎn) 180°繼續(xù)使用,因此滑板長(zhǎng)度應(yīng)大于 186×2 = 372mm。

考慮到列車可能通過(guò)曲線站臺(tái)與滑板長(zhǎng)度冗余設(shè)計(jì),且由于車輛運(yùn)動(dòng),受電器可能會(huì)產(chǎn)生偏離車輛中心線的橫向位移晃動(dòng)量,因此滑板相應(yīng)加長(zhǎng)。綜上所述,滑板長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為 400mm。

結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上分析,受電器碳滑板通過(guò)增加厚度和優(yōu)化結(jié)構(gòu),從設(shè)計(jì)源頭出發(fā),將大幅提高滑板使用壽命,節(jié)約運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本和更換碳滑板工作量。 對(duì)于儲(chǔ)能式有軌電車項(xiàng)目具有較強(qiáng)的借鑒意義,將在后續(xù)低地板項(xiàng)目進(jìn)行推廣和跟蹤。