懸掛式空中列車受流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王立潮 呂曉俊 王芳 姚春山

摘 要：中國南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司與長春市萬喜隆軌道客車裝備有限公司合作，研制與開發(fā)一種機(jī)械式的側(cè)部受流器，應(yīng)用在懸掛式空中列車上。根據(jù)懸掛式空中列車受流器技術(shù)條件，完成懸掛車受流器的研制。介紹了受流器的主要技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵點(diǎn)、注意事項(xiàng)等，對源動力彈簧和滑靴的接觸壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。該受流器采用四連桿平動機(jī)構(gòu)，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，進(jìn)行了樣機(jī)的試制和實(shí)驗(yàn)，均能達(dá)到受流器的技術(shù)要求。該受流器結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、性能良好、產(chǎn)品可靠。

關(guān)鍵詞：受流器 平動機(jī)構(gòu) 滑靴 接觸壓力

中圖分類號：U26 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（c）-0063-03

中國城鎮(zhèn)化建設(shè)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，鋼鋁符合接觸軌（導(dǎo)電軌或三軌）供電系統(tǒng)具有使用壽命長、運(yùn)營可靠、維修量少且便于管理等優(yōu)點(diǎn)。因此，被越來越多的設(shè)計(jì)單位和用戶所采用[1]。導(dǎo)電軌是在列車行走的兩條路軌以外，還有一條帶電的鋼軌。列車的集電裝置—受流器，與導(dǎo)電軌接觸并滑行，從導(dǎo)電軌取電，把電力傳輸?shù)搅熊嚿蟍2]。在全球范圍內(nèi)，根據(jù)受流器的滑靴和導(dǎo)電軌接觸方式，常用的受流裝置種類分為上部受流型受流器、下部受流型受流器、側(cè)面受流型受流器、兩軌中間受流型受流器等。在中國目前，受流器的滑靴和導(dǎo)電軌接觸方式多數(shù)是上部接觸和下部接觸，簡稱為上部受流和下部受流。

1 側(cè)部受流器的主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)懸掛車受流器的技術(shù)要求，受流器采用機(jī)械式的結(jié)構(gòu)，使用彈簧作為動力源零件，滑靴與導(dǎo)電軌采用側(cè)面接觸方式—側(cè)部受流，使用絕緣底座與轉(zhuǎn)向架連接。將電流從導(dǎo)電軌引到列車上，要求結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、重量輕。具體的參數(shù)如下。

額定工作電壓：DC750V（滿足GB/T 10411-2005）；

工作電壓范圍：DC500V～DC900V；

靜態(tài)額定電流：200 A；

動態(tài)額定電流：600 A；

設(shè)計(jì)運(yùn)行速度： 55 km/h；

靜態(tài)接觸壓力：（120±24）N；

收縮位高度：143 mm；

最小工作高度：150 mm；

正常工作高度：185 mm；

最大工作高度：210 mm；

最大伸展高度：230 mm；

電氣間隙：≥30 mm；

爬電距離：≥35 mm；

總質(zhì)量：≤20 kg。

2 側(cè)部受流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

懸掛車受流器的滑靴與導(dǎo)電軌側(cè)面接觸，導(dǎo)電軌側(cè)立安裝，不易在導(dǎo)電軌摩擦面上積攢塵土、雨雪等雜物，導(dǎo)電軌和滑靴由雜質(zhì)引起的顆粒磨損和電弧燒蝕磨損要小。受流器通過岔道時可以通過左右魚尾板平滑過渡，從而達(dá)到平穩(wěn)受流的目的[3]。受流器的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

受流器的絕緣底座通過4個M12螺栓與轉(zhuǎn)向架相連接，在絕緣底座內(nèi)安裝絕緣板，保證受流器與轉(zhuǎn)向架之間的絕緣安全性。

（1）四連桿機(jī)構(gòu)。

四連桿機(jī)構(gòu)主要由支架、主動桿、從動桿、滑靴組件組成，組成平行四邊形機(jī)構(gòu)，保證滑靴的水平向上移動，使滑靴與導(dǎo)電軌充分接觸，避免滑靴的擺動，達(dá)到受流器受流平穩(wěn)的目的。支架是一個框架結(jié)構(gòu)，安裝在絕緣板上，主動桿和從動桿的旋轉(zhuǎn)銷軸安裝在支架上，保證旋轉(zhuǎn)銷軸的平行度。四連桿機(jī)構(gòu)的主動桿端部通過連接板與彈簧相連接，主動桿的旋轉(zhuǎn)力矩來源于彈簧的拉力。

（2）彈簧的組件。

彈簧一端固定在拉簧支撐座上，拉簧支撐座安裝在絕緣板上，彈簧的另一端連接在主動桿的連接板上。彈簧的拉力與力臂的乘積構(gòu)成旋轉(zhuǎn)力矩，該力矩是主動桿旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩，實(shí)現(xiàn)受流器的滑靴與導(dǎo)電軌的貼合功能。固定一端的彈簧安裝有調(diào)節(jié)彈簧拉力的調(diào)節(jié)螺桿，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺桿，可以控制彈簧拉力的大小，保證滑靴與導(dǎo)電軌直接保持有一定的壓力，并且在規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。

（3）滑靴組件的安裝。

滑靴組件由滑塊、導(dǎo)電銅板、保護(hù)架、滑靴支撐等組成。滑塊可以選用碳銅合金或鑄鐵，具有良好導(dǎo)電性、耐磨性、抗沖擊性。導(dǎo)電銅板連接引流電纜，將滑靴從導(dǎo)電軌取到的電流傳輸出去。保護(hù)架具有緩沖作用，避免對滑塊產(chǎn)生過大的沖擊?；ブ斡芍鲃訔U驅(qū)動，保證一定的運(yùn)動姿態(tài)。

3 受流器的設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）連桿機(jī)構(gòu)計(jì)算。

根據(jù)側(cè)部受流器的安裝空間，通過Catia軟件的Sketch模塊[4]，設(shè)計(jì)出四連桿各桿件的長度。在自由位狀態(tài)下，側(cè)部受流器的空間大小在404 mm×184 mm×230 mm的空間范圍內(nèi)。使用Sketch模塊中尺寸和位置未完全約束狀態(tài)下，可以旋轉(zhuǎn)主動桿，過約束也可以標(biāo)注尺寸，設(shè)計(jì)出滑靴在最低工作位150 mm、正常工作位185 mm、最高工作位210 mm、以及自由位為230 mm位置時，主動桿轉(zhuǎn)動的角度和掃略出的空間位置。以收縮位為零位，則相對位置分別為7 mm、42 mm、67 mm、87 mm，以自由位230 mm為例，主動桿旋轉(zhuǎn)的角度為32.939°，如圖2所示。通過圖形解析計(jì)算，主動桿在4個位置的旋轉(zhuǎn)角度分別為2.507°、15.218°、24.756°、32.939°。

（2）彈簧計(jì)算。

在側(cè)部受流器整個工作過程中，產(chǎn)生驅(qū)動力和滑靴壓力的主要零件—彈簧，具有非常重要的作用，對彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和滑靴壓力實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證計(jì)算的可行性。

首先要確定側(cè)部受流器在正常工作位置185 mm時，滑靴與導(dǎo)電軌之間產(chǎn)生120 N的壓力時，彈簧產(chǎn)生的拉力應(yīng)該是多少牛頓。機(jī)構(gòu)受力簡圖如圖3所示。

G1+N：G1為滑靴組件重量，N為滑靴與導(dǎo)電軌壓力；

G2：主動桿重量；

G3：從動桿重量；

F：彈簧的拉力；

L4：G1+N力的力臂；

L3：從動桿重量的力臂；

L2：主動桿重量的力臂；

L1：彈簧拉力力臂。

使用該彈簧，與圖3相似，當(dāng)受流器處在最低工作位置150 mm時，計(jì)算得出滑靴與導(dǎo)電軌產(chǎn)生的壓力為113.05 N，當(dāng)受流器處在最高工作位置210 mm時，計(jì)算得出滑靴與導(dǎo)電軌產(chǎn)生的壓力為125.53 N。經(jīng)過計(jì)算，使用該彈簧，滑靴與導(dǎo)電軌的壓力在給定的壓力（120±24）N范圍之內(nèi)，彈簧滿足設(shè)計(jì)要求。

受流器樣機(jī)制造出來后，使用測力傳感器，對滑靴的壓力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖4所示。

4 結(jié)語

自主研發(fā)的懸掛車受流器，經(jīng)過計(jì)算和例行實(shí)驗(yàn)，滿足懸掛車的技術(shù)規(guī)范要求，性能良好，結(jié)構(gòu)緊湊。懸掛車受流器設(shè)計(jì)的完成，為懸掛車成功提供了有力的保障，為交通擁擠城市的交通運(yùn)行提供了保證，達(dá)到了低碳、綠色出行。對受流器的國產(chǎn)化和簡單化提供了嘗試。

參考文獻(xiàn)

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