摘要：儲能式有軌電車使用儲能元件來存儲電能作為動力進(jìn)行牽引，車輛通過安裝在車頂?shù)氖茈娖髋c接觸軌接觸獲取電流，具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。受電器的碳滑板為保證導(dǎo)電和機(jī)械性能，以銅為主要材質(zhì)成分，車輛頻繁地在站臺充電加速了碳滑板的磨耗速率。本文介紹了有軌電車受電器碳滑板的使用壽命數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化方案和實(shí)施效果，重點(diǎn)分析了受電器滑板壽命的影響因素，提出了加厚滑板和180°旋轉(zhuǎn)安裝兩種優(yōu)化方案，通過受力分析和電氣性能分析，能夠在不影響性能的前提下，有效優(yōu)化碳滑板使用壽命，從40000km提升到100000km以上，可以節(jié)約運(yùn)營維護(hù)成本和更換碳滑板工作量。

關(guān)鍵詞：有軌電車；受電器；碳滑板

隨著儲能元件的發(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，儲能式有軌電車應(yīng)運(yùn)而生。儲能式有軌電車使用儲能元件來存儲電能作為動力進(jìn)行牽引，車輛通過安裝在車頂?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時間實(shí)現(xiàn)對儲能裝置的充電，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象，對受電器碳滑板的實(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模塊鋼輪鋼軌儲能式有軌電車，三動一拖，車輛最高運(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，由于平行四邊形相對邊平行的性質(zhì)，可以保證與固定邊相對的邊保持豎直狀態(tài)上升，因此可以保證升降弓過程中，受電器弓頭保持水平。

在弓頭滑板通過弓頭懸掛連接的下臂桿上，弓頭受到網(wǎng)線的沖擊作用，通過弓頭懸掛中的彈簧組件得到緩解，延長弓網(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，保證在升弓過程中角度不變。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，可以上下運(yùn)動，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，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和沖擊。一般需承載2400A、持續(xù)時間30s的工作電流。

導(dǎo)流線與滑板連接，用來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16個沉頭螺栓連接在活動架上，車輛進(jìn)站，滑板受到接觸軌壓迫時，滑板與活動架在限位架的約束條件下向下運(yùn)動，在四個彈簧的作用下，銅滑板與接觸軌充分貼合受電。

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

根據(jù)多個項(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）充電電流與時間，滑板壽命與充電電流及時間成反比。

（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受力計算

滑板由目前的10mm厚度更換為15mm厚度，整個弓頭重量增加1.82kg。

受力結(jié)構(gòu)如圖8所示。

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

ΔF×L1×cosα=ΔP×L2×cosβ

已知L1=650mm，L2=129mm，β=34°，α=8°，ΔP=182×9.8=17.9N。

根據(jù)上述參數(shù)計算彈簧作用力增加量ΔF=75.5N。

采用兩個彈簧，每個彈簧力增加75.5/2=37.7N。

彈簧剛度為3.06N/mm，彈簧伸長量=37.7/3.06=12.3mm。

滑板重量的增加，通過增加彈簧伸長量實(shí)現(xiàn)，螺栓伸長量12.3mm。

目前螺栓可調(diào)節(jié)量65mm，大于12.3mm，滿足設(shè)計要求。

3.1.2電氣性能

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

3.2優(yōu)化對稱安裝結(jié)構(gòu)

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

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/TXB10162016《儲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，拉出值示意圖見圖11。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Q/CRRCJ10282020《城市軌道交通儲能式受電器》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，滑板長度應(yīng)大于186mm。

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

考慮到列車可能通過曲線站臺與滑板長度冗余設(shè)計，且由于車輛運(yùn)動，受電器可能會產(chǎn)生偏離車輛中心線的橫向位移晃動量，因此滑板相應(yīng)加長。

綜上所述，滑板長度設(shè)計為400mm。

結(jié)語

根據(jù)以上分析，受電器碳滑板通過增加厚度和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，從設(shè)計源頭出發(fā)，將大幅提高滑板使用壽命，節(jié)約運(yùn)營維護(hù)成本和更換碳滑板工作量。對于儲能式有軌電車項(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。

參考文獻(xiàn)：

［1］張海豐，郭彥每.儲能式有軌電車短時大電流受電器研制［J］.機(jī)車電傳動，2016（02）：5556，64.

［2］索建國，鄧誼柏，楊穎，等.儲能式現(xiàn)代有軌電車概述［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2015，38（04）：16.

［3］馮葉，陳明國，李軍.一種有軌電車受電器驅(qū)動力設(shè)計［J］.時代農(nóng)機(jī)，2016，43（11）：4748.

［4］楊穎，陳中杰.儲能式電力牽引輕軌交通的研發(fā)［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2012，35（5）：510.

［5］李達(dá)，聶文斌，吳平景.昆明長水機(jī)場捷運(yùn)系統(tǒng)車輛設(shè)計［J］.科技風(fēng)，2021（7）：13.

作者簡介：李達(dá)（1991—），男，漢族，湖南常德人，本科，高級工程師，研究方向：城軌車輛總體設(shè)計。