某型有轨电车车辆受电器碳滑板使用寿命优化研究

  随着储能元件的发展以及节能、环保等城市轨道交通发展理念不断提升,储能式有轨电车应运而生。 储能式有轨电车使用储能元件来存储电能作为动力进行牵引,车辆通过安装在车顶的受电器与接触轨接触获取电流,利用车辆进出站以及乘客上下车的 30s 时间实现对储能装置的充电,具有绿色环保的优点。

本文以某型有轨电车车辆为研究对象,对受电器碳滑板的实际磨耗数据进行分析,制订优化方案,验证实施效果,有效优化碳滑板使用寿命,节约运营维护成本和更换碳滑板工作量。

1 车辆概述

列车为 4 模块钢轮钢轨储能式有轨电车,三动一拖,车辆*高运行速度为 70km/ h,运行线路为地面及高架线路。

车辆配置一个小型受电器,受电器主要由绝缘子组装、底架组装、拉杆组装、下臂杆组装、上框架组装、平衡杆组装、弓头组装等组成,受电器的主体结构如图 2 所示。

受电器采用铰接的平行四边形结构,此平行四边形结构固定一条边垂直于车顶面,以此固定边端点为铰接点,在外界拉力的作用下,平行四边形一条边绕此铰接点转动,由于平行四边形相对边平行的性质,可以保证与固定边相对的边保持竖直状态上升,因此可以保证升降弓过程中,受电器弓头保持水平。

在弓头滑板通过弓头悬挂连接的下臂杆上,弓头受到网线的冲击作用,通过弓头悬挂中的弹簧组件得到缓解,延长弓网之间的碰撞事件,从而降低弓网之间的作用力,延长部件的疲劳寿命。

弓头悬挂分两部分,限位架与转轴铰接,限位架在平衡杆的控制下绕转轴进行转动,保证在升弓过程中角度不变。 卷簧连接在限位架上,并被限制在限位架中,当卷簧受力时,可以上下运动,并可以进行扭转。

受电器的滑板与供电轨之间接触受电,考虑到进入充电时,受电器滑板与供电轨有比较大的碰撞力,因此选用导电性能良好的金属铜板作为滑板的材料,受电器接触滑板为 10mm×100mm×420mm 的铜板。

受电头是直接与供电轨接触的部件,接受电流并承受与供电轨之间的振动和冲击。 一般需承载 2400A、持续时间 30s 的工作电流。

导流线与滑板连接,用来将电流从滑板直接传导至底架电流接线端子。

受电器滑板通过 16 个沉头螺栓连接在活动架上,车辆进站,滑板受到接触轨压迫时,滑板与活动架在限位架的约束条件下向下运动,在四个弹簧的作用下,铜滑板与接触轨充分贴合受电。

每个受电器共 8 块碳滑板,用螺栓安装,单个碳滑板长度 200mm,厚度 10mm,结构有效磨耗 6mm。

根据多个项目实际使用情况,磨耗到限的寿命约40000 ~ 60000km。

2 受电器滑板寿命影响因素

滑板寿命主要与以下因素有关:

(1)充电电流与时间,滑板寿命与充电电流及时间成反比。

(2)供电轨宽度,滑板寿命与供电轨宽度成反比。

(3)供电轨拉出值,滑板寿命与拉出值的大小成正比。

(4)滑板有效磨耗厚度,滑板寿命与滑板有效磨耗厚度成正比。

本文从受电器自身角度考虑使用寿命优化的方案。

根据以往项目实际使用数据,磨耗到限的寿命约 40000~60000km,即碳滑板平均磨耗量约为 1. 0 ~ 1. 3mm/ 10000km。为达到 100000km 寿命水平,单块滑板能够提供的磨耗量需达到 13mm 以上。

3 方案优化

3. 1 优化碳滑板厚度,将滑板厚度由 10mm 增加至 15mm

3. 1. 1 受力计算

滑板由目前的 10mm 厚度更换为 15mm 厚度,整个弓头重量增加 1. 82kg。

以下臂杆与底架的支点为转动中心,进行受力分析:

ΔF×L1×cosα=ΔP×L2×cosβ

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

根据上述参数计算弹簧作用力增加量 ΔF= 75. 5N。

采用两个弹簧,每个弹簧力增加 75. 5 / 2 = 37. 7N。

弹簧刚度为 3. 06N/ mm,弹簧伸长量 = 37. 7 / 3. 06 =12. 3mm。

滑板重量的增加,通过增加弹簧伸长量实现,螺栓伸长量 12. 3mm。

目前螺栓可调节量 65mm,大于 12. 3mm,满足设计要求。

3. 1. 2 电气性能

当滑板的厚度由 10mm 增加到 15mm 后,只会影响整体电阻,测量结果可以忽略不计。 对电气性能的影响可以忽略不计。

3. 2 优化对称安装结构

滑板安装接口优化为对称结构,可实现 180°反转安装,充分利用滑板的长度。

3. 3 优化方案应用效果

新型受电器碳滑板(可 180°调装)新件厚度为 15mm,对调安装后碳滑板厚度为 15mm。 根据碳滑板检修更换标准(低于 4mm),其有效磨耗厚度为 11mm,即新型碳滑板有效磨耗厚度实际为 11×2 = 22mm。 能够满足的使用寿命22/ 1. 3 = 169000km。 优化前磨耗到限的寿命约 40000 ~60000km,使用寿命得到大幅提高。

3. 4 受电器滑板长度分析

受电器安装在车顶转向架正上方,受电器中心线与车体中心线重合,为使滑板均匀磨耗,站台区域供电轨两端分别向轨道线路中心的相反方向偏离,称该偏离值为拉出值,由标准 Q/ TX B1-016-2016《储能式轨道交通车辆受电器与供电轨相互作用准则》 5. 2. 4 可知,供电轨的拉出值取70mm,拉出值满足WS+ML<200mm,拉出值示意图见图 11。

根据标准 Q/ CRRC J 1028-2020《城市轨道交通 储能

式受电器》5. 11,受电器横向位移,受电器滑板不与导电轨

脱离,应满足下式要求:

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

由上式可知,滑板长度应大于 186mm。

为增加滑板使用寿命,滑板设计为对称结构,在滑板磨耗到一定程度时将其翻转 180°继续使用,因此滑板长度应大于 186×2 = 372mm。

考虑到列车可能通过曲线站台与滑板长度冗余设计,且由于车辆运动,受电器可能会产生偏离车辆中心线的横向位移晃动量,因此滑板相应加长。综上所述,滑板长度设计为 400mm。

结语

根据以上分析,受电器碳滑板通过增加厚度和优化结构,从设计源头出发,将大幅提高滑板使用寿命,节约运营维护成本和更换碳滑板工作量。 对于储能式有轨电车项目具有较强的借鉴意义,将在后续低地板项目进行推广和跟踪。