懸掛式空中列車受流器的結構設計

王立潮 呂曉俊 王芳 姚春山

摘 要：中國南車青島四方機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，研制與開發一種機械式的側部受流器，應用在懸掛式空中列車上。根據懸掛式空中列車受流器技術條件，完成懸掛車受流器的研制。介紹了受流器的主要技術參數、設計結構、關鍵點、注意事項等，對源動力彈簧和滑靴的接觸壓力進行設計計算。該受流器采用四連桿平動機構，具有較高的可靠性和穩定性，進行了樣機的試制和實驗，均能達到受流器的技術要求。該受流器結構緊湊、重量輕、性能良好、產品可靠。

關鍵詞：受流器 平動機構 滑靴 接觸壓力

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

中國城鎮化建設的發展，中心城市快速擴張，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建設項目。與架空接觸網相比，鋼鋁符合接觸軌（導電軌或三軌）供電系統具有使用壽命長、運營可靠、維修量少且便于管理等優點。因此，被越來越多的設計單位和用戶所采用[1]。導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，與導電軌接觸并滑行，從導電軌取電，把電力傳輸到列車上[2]。在全球范圍內，根據受流器的滑靴和導電軌接觸方式，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，受流器的滑靴和導電軌接觸方式多數是上部接觸和下部接觸，簡稱為上部受流和下部受流。

1 側部受流器的主要技術參數

根據懸掛車受流器的技術要求，受流器采用機械式的結構，使用彈簧作為動力源零件，滑靴與導電軌采用側面接觸方式—側部受流，使用絕緣底座與轉向架連接。將電流從導電軌引到列車上，要求結構簡單、緊湊、重量輕。具體的參數如下。

額定工作電壓：DC750V（滿足GB/T 10411-2005）；

工作電壓范圍：DC500V～DC900V；

靜態額定電流：200 A；

動態額定電流：600 A；

設計運行速度： 55 km/h；

靜態接觸壓力：（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；

總質量：≤20 kg。

2 側部受流器結構設計

懸掛車受流器的滑靴與導電軌側面接觸，導電軌側立安裝，不易在導電軌摩擦面上積攢塵土、雨雪等雜物，導電軌和滑靴由雜質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，從而達到平穩受流的目的[3]。受流器的三維結構如圖1所示。

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

（1）四連桿機構。

四連桿機構主要由支架、主動桿、從動桿、滑靴組件組成，組成平行四邊形機構，保證滑靴的水平向上移動，使滑靴與導電軌充分接觸，避免滑靴的擺動，達到受流器受流平穩的目的。支架是一個框架結構，安裝在絕緣板上，主動桿和從動桿的旋轉銷軸安裝在支架上，保證旋轉銷軸的平行度。四連桿機構的主動桿端部通過連接板與彈簧相連接，主動桿的旋轉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成旋轉力矩，該力矩是主動桿旋轉的驅動力矩，實現受流器的滑靴與導電軌的貼合功能。固定一端的彈簧安裝有調節彈簧拉力的調節螺桿，通過旋轉調節螺桿，可以控制彈簧拉力的大小，保證滑靴與導電軌直接保持有一定的壓力，并且在規定范圍內進行調整。

（3）滑靴組件的安裝。

滑靴組件由滑塊、導電銅板、保護架、滑靴支撐等組成。滑塊可以選用碳銅合金或鑄鐵，具有良好導電性、耐磨性、抗沖擊性。導電銅板連接引流電纜，將滑靴從導電軌取到的電流傳輸出去。保護架具有緩沖作用，避免對滑塊產生過大的沖擊。滑靴支撐由主動桿驅動，保證一定的運動姿態。

3 受流器的設計計算

（1）連桿機構計算。

根據側部受流器的安裝空間，通過Catia軟件的Sketch模塊[4]，設計出四連桿各桿件的長度。在自由位狀態下，側部受流器的空間大小在404 mm×184 mm×230 mm的空間范圍內。使用Sketch模塊中尺寸和位置未完全約束狀態下，可以旋轉主動桿，過約束也可以標注尺寸，設計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，主動桿旋轉的角度為32.939°，如圖2所示。通過圖形解析計算，主動桿在4個位置的旋轉角度分別為2.507°、15.218°、24.756°、32.939°。

（2）彈簧計算。

在側部受流器整個工作過程中，產生驅動力和滑靴壓力的主要零件—彈簧，具有非常重要的作用，對彈簧進行設計計算和滑靴壓力實驗，驗證計算的可行性。

首先要確定側部受流器在正常工作位置185 mm時，滑靴與導電軌之間產生120 N的壓力時，彈簧產生的拉力應該是多少牛頓。機構受力簡圖如圖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，當受流器處在最低工作位置150 mm時，計算得出滑靴與導電軌產生的壓力為113.05 N，當受流器處在最高工作位置210 mm時，計算得出滑靴與導電軌產生的壓力為125.53 N。經過計算，使用該彈簧，滑靴與導電軌的壓力在給定的壓力（120±24）N范圍之內，彈簧滿足設計要求。

受流器樣機制造出來后，使用測力傳感器，對滑靴的壓力進行了實驗驗證，如圖4所示。

4 結語

自主研發的懸掛車受流器，經過計算和例行實驗，滿足懸掛車的技術規范要求，性能良好，結構緊湊。懸掛車受流器設計的完成，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行提供了保證，達到了低碳、綠色出行。對受流器的國產化和簡單化提供了嘗試。

參考文獻

[1] 王振全，李相泉.分體式受流器的結構和性能分析[J].鐵道標準設計，2011（1）：125-127.

[2] 張彥華，劉亞杰，羅鐵鋼.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（2）：59-61.

[3] 李寧，陳革.常導中低速磁懸浮列車受流方式選擇及受流器結構設計[J].電力機車與城軌車輛，2007（3）：14-19.

[4] 潘志剛，朱玉祥，潘子健.CATIA V5R21實用基礎教程[M].北京：科學技術出社，2015：26-42.

[5] 成大先，王德夫，姬奎生.機械設計手冊[M].5版.北京：化學工業出社，2008.