城市軌道交通第三軌供電系統集電靴的力學性能試驗研究

尹洪權 薛海峰 張煜超 魏瑞霞(中國中車南京浦鎮車輛有限公司,210031,南京∥第一作者,工程師)

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城市軌道交通第三軌供電系統集電靴的力學性能試驗研究

尹洪權 薛海峰 張煜超 魏瑞霞
(中國中車南京浦鎮車輛有限公司,210031,南京∥第一作者,工程師)

摘 要城市軌道交通第三軌供電系統集電靴的安裝不僅關系著其自身設備的安全性,還影響城市軌道交通列車的供電質量,介紹了集電靴力學性能試驗的傳動和測試原理,確定了集電靴力學性能試驗的方案。通過試驗研究得到集電靴的靜態剛度、等效阻尼等參數,為集電靴力學模型的建立、集電靴的設計與維修提供數據資料。

關鍵詞集電靴;力學性能;壓力傳感器

Author′s address CRRC Nanjing Puzhen Co.,Ltd.,210031, Nanjing,China

隨著城市軌道交通的大規?？焖侔l展,集電靴與第三軌的應用也越來越廣泛。第三軌供電是指在列車行走的兩條軌道以外,再加上帶電的鋼軌,這條帶電鋼軌通常設于兩軌間或其中一軌的外側。列車的集電裝置在帶電鋼軌上接觸并滑行,并將電力傳送到列車上,這種采用第三軌的集電裝置稱為集電靴[1]。集電靴的安裝不僅關系著自身設備的安全性,還影響城市軌道列車的供電質量。集電靴的安裝位置、安裝方式、靜態接觸力的調整,是影響集電靴性能的關鍵因素。若集電靴的安裝不到位、靜態接觸力調整不合理,很有可能影響集電靴與第三軌的受流質量,甚至在第三軌接頭、道岔等,造成集電靴撞擊,縮短集電靴的使用壽命,影響集電靴的安全運行。為保證集電靴與第三軌的良好受流,有必要研究集電靴的安裝與調試技術。目前,針對集電靴與第三軌的動態相互作用研究較少,尤其針對集電靴的安裝與調試技術研究尚未見相關文獻報導,研究集電靴與第三軌的動態匹配性以及集電靴的安裝技術已十分迫切。

本文通過集電靴的力學試驗得到集電靴的靜態剛度,建立集電靴的力學模型,為集電靴的設計與維修提供資料。

1　集電靴試驗原理

1.1集電靴傳動原理

集電靴是安裝在電動列車轉向架側面,連接接觸軌,為電動列車提供電源的電氣設備。集電靴主要由帶預拉彈簧、軸承、絕緣連接板、制動桿、滑板托架、滑板等零件組成,通過軸承將彈簧力傳動給滑板,為滑板提供接觸力。直流電不直接流過集電靴的機械部分,而是通過電連接線從滑板直接輸送到列車牽引電機。集電靴的傳動原理見圖1。滑板托架、絕緣連接板為同一結構體,視為一懸臂梁,見圖1a)中的懸臂部分;圖1b)中彈簧通過彈簧軸一端與懸臂相連,忽略彈簧軸與懸臂的高差;懸臂通過制動桿固定滑板的最高位置,制動桿與懸臂視為一整體。彈簧有預拉力,通過軸承提供靴的接觸力。所有連接部位都是線性剛度與阻尼,并忽略靴的非線性摩擦。滑板高度與靴接觸力有直接關系,不同滑板高度,靴提供的接觸力是不同的,要想改變滑板高度,需要克服彈簧的預拉力,即接觸力大于某個閥值才能使滑板高度變化。制動桿限制了滑板的最高工作高度,高于該高度的接觸軌將與集電靴分離。

1.2集電靴試驗原理

由傳動原理可知,為得到第三軌與集電靴的動態匹配性,需要計算彈簧的剛度,彈簧的剛度和彈簧軸、滑板與軸承距離比、制動懸臂角度等因素有關。本試驗通過在滑板上加載不同靜態力F,通過圖像識別技術實時獲取集電靴滑板的位置變化(見圖2)。該測量系統由硬件部分與軟件部分組成。硬件部分包括標記點、圖像采集設備、圖像處理及顯示平臺,其中圖像采集設備包括光學鏡頭、模數轉換器等;軟件部分是標定程序、圖像跟蹤程序、數據儲存與調用程序。

圖1　集電靴的傳動原理

圖2　基于圖像識別技術的位移測量原理圖

通過在集電靴滑板上涂試標記,工業相機實時記錄標記的垂向位移,位移數據輸入到計算機,然后再通過軟件調用計算機上的數據,此即為集電靴力學性能試驗方案。工業相機記錄圖像試驗方案如圖3所示。

該試驗通過增減砝碼來控制集電靴所加載的固定荷載,荷載會使集電靴在垂直方向上產生相應的位移。為了保證集電靴不在水平方向上產生位移,需將集電靴進行工裝處理。

根據試驗測量得到集電靴懸臂部分的長度l(單位為m);相機記錄集電靴滑板從A(x1,y1)移動到B (x2,y2)的垂直方向上的位移(y2-y1)(單位為m);從而得到集電靴滑板在發生位移時轉過的角度Δθ(單位為rad)。由這些參數可以得到彈簧的剛度計算公式k=Fl/Δθ,(單位為N·m/rad)。

在測量這些參數時,摩擦力會阻礙集電靴滑板的位移變化,會影響各參數的測量數據,需計算出摩擦力的大小。本試驗中摩擦力的大小等于對集電靴滑板分別向上和向下發生位移時計算的摩擦力大小的平均值。這些測試和計算得到的關鍵參數為建立滿足集電靴傳動原理的有限元模型提供了資料。

圖3　集電靴力學性能試驗圖

2　集電靴力學性能試驗

對集電靴進行工裝后,在集電靴滑板上做工業相機可識別的標記點,將壓力傳感器的一端安裝固定,數據線連接到采集卡上,采集卡的數據線再連接到計算機上,按照圖3依次連接起來;分別加載不同數量砝碼,測量集電靴滑板從0～200 mm對應的變化位移;測量集電靴懸臂部分尺寸、拆卸懸臂稱重;測量集電靴彈簧的等效阻尼;測試完成,拆卸工裝,恢復集電靴。

依次使集電靴滑板上加載的質量為:12 kg、13 kg、14 kg、15 kg、16 kg、17 kg、18 kg,記錄從計算機中讀出其在豎直方向的位移;然后再依次從集電靴滑板卸載砝碼,并記錄從計算機中讀出其在豎直方向上的位移,見表1。重復上述試驗,得到其在豎直方向的位移,見表2。

表1　第一次試驗時集電靴滑板在豎直方向的位移

表2　第二次試驗時集電靴滑板在豎直方向的位移

3　數據分析

由表1、表2中的加載和卸載時的位移變化量數據可以分別計算出兩次試驗時集電靴彈簧的剛度和等效阻尼,計算結果分別見表3和表4。

表3　兩次試驗時集電靴彈簧的剛度　N·m/rad

表4　兩次試驗時集電靴彈簧的等效阻尼　N·m

做試驗時以加載12 kg的砝碼為參考點的,故將12 kg所對應的剛度可以看做為零。

兩次試驗計算出的彈簧的剛度隨加載的質量變化曲線見圖4。

圖4　兩次試驗時集電靴彈簧剛度隨加載質量的變化曲線

兩次試驗計算出的彈簧等效阻尼隨加載質量的變化曲線見圖5。

圖5　彈簧的等效阻尼隨加載質量的變化曲線

圖6為兩次加載試驗時相應的位移變化量隨加載質量變化的對比曲線。

圖7為兩次卸載試驗時相應的位移變化量隨加載質量變化的對比曲線。

圖6　兩次加載試驗時相應的位移變化量隨加載質量變化的對比曲線

圖7　兩次卸載試驗時相應的位移變化量隨加載重量變化的對比曲線

由圖6和圖7可以看出兩次的加載試驗和卸載試驗的曲線差異較小,走向趨勢基本一致,說明該試驗的可操作性和可行性都很高,可重復試驗。

4　結語

通過集電靴力學性能試驗數據處理可以得到試驗時集電靴彈簧的剛度和等效阻尼,因為彈簧的剛度和等效阻尼一般不會發生變化,所以該試驗結果取其平均值。

通過計算得到集電靴彈簧的剛度為0.84 N· m/rad,集電靴彈簧的等效阻尼為2.16 N·m。通過集電靴的力學試驗得到的關鍵參數,為后續集電靴的力學模型的建立、集電靴的設計與維修、線路試驗的操作提供了數據資料。

參考文獻

[1] 張彥華,劉亞杰,羅鐵剛.城軌車輛用第三軌受流器試驗臺的研制[J].電力機車與城軌車輛,2012,35(2):59.

Experimental Study on the Mechanical Properties of Collector Shoe in Third Rail Power Supply System

Yin Hongquan,Xue Haifeng,Zhang Yuchao,Wei Ruixia

AbstractThe installation of collector shoes in third rail power supply system is closely related to the safety of the equipment itself,and the power supply quality for urban rail transit.In this paper the transmission and testing principles of current shoe's mechanical property testing are introduced,and a scheme of mechanical property testing is determined.Parametersof current shoe are obtained by experimental study,which include static stiffness and equivalent damping,and provide information for the establishment of mechanical model,the design and maintenance of current shoe.

Key wordscurrent shoe;mechanical property;pressure senor

(收稿日期:2015-05-26)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.021

中圖分類號TM 922.6