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,儲能式有軌電車應運而生。 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,利用車輛進出站以及乘客上下車的 30s 時間實現(xiàn)對儲能裝置的充電,具有綠色環(huán)保的優(yōu)點。

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際磨耗數(shù)據(jù)進行分析,制訂優(yōu)化方案,驗證實施效果,有效優(yōu)化碳滑板使用壽命,節(jié)約運營維護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*高運行速度為 70km/ h,運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,受電器的主體結構如圖 2 所示。

受電器采用鉸接的平行四邊形結構,此平行四邊形結構固定一條邊垂直于車頂面,以此固定邊端點為鉸接點,在外界拉力的作用下,平行四邊形一條邊繞此鉸接點轉動,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,限位架與轉軸鉸接,限位架在平衡桿的控制下繞轉軸進行轉動,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,當卷簧受力時,可以上下運動,并可以進行扭轉。

受電器的滑板與供電軌之間接觸受電,考慮到進入充電時,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。

導流線與滑板連接,用來將電流從滑板直接傳導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,結構有效磨耗 6mm。

根據(jù)多個項目實際使用情況,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:

(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)以往項目實際使用數(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。為達到 100000km 壽命水平,單塊滑板能夠提供的磨耗量需達到 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。

以下臂桿與底架的支點為轉動中心,進行受力分析:

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,滿足設計要求。

3. 1. 2 電氣性能

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

3. 2 優(yōu)化對稱安裝結構

滑板安裝接口優(yōu)化為對稱結構,可實現(xiàn) 180°反轉安裝,充分利用滑板的長度。

3. 3 優(yōu)化方案應用效果

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)碳滑板檢修更換標準(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,由標準 Q/ TX B1-016-2016《儲能式軌道交通車輛受電器與供電軌相互作用準則》 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)標準 Q/ CRRC J 1028-2020《城市軌道交通 儲能

式受電器》5. 11,受電器橫向位移,受電器滑板不與導電軌

脫離,應滿足下式要求:

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

由上式可知,滑板長度應大于 186mm。

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

考慮到列車可能通過曲線站臺與滑板長度冗余設計,且由于車輛運動,受電器可能會產(chǎn)生偏離車輛中心線的橫向位移晃動量,因此滑板相應加長。綜上所述,滑板長度設計為 400mm。

結語

根據(jù)以上分析,受電器碳滑板通過增加厚度和優(yōu)化結構,從設計源頭出發(fā),將大幅提高滑板使用壽命,節(jié)約運營維護成本和更換碳滑板工作量。 對于儲能式有軌電車項目具有較強的借鑒意義,將在后續(xù)低地板項目進行推廣和跟蹤。