城市軌道交通第三軌受流器動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)及分析

王 鵬 駱海坤

(1.華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，430074，武漢；2.中交機(jī)電工程局有限公司武漢技術(shù)中心，430050，武漢//第一作者，碩士)

城市軌道交通的受電方式主要有架空接觸網(wǎng)受電與第三軌受電兩種方式。第三軌受電相比接觸網(wǎng)受電具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、美觀、電能損耗小等優(yōu)點(diǎn)，因此第三軌受電方式被越來越多城市的軌道交通線路所采用。

本文在分析中外文獻(xiàn)關(guān)于第三軌受流系統(tǒng)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，以無錫地鐵2號(hào)線第三軌受流系統(tǒng)為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)靴軌關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究，為后續(xù)相關(guān)第三軌受流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究提供參考。首先，對(duì)受電靴靴頭施加靜載荷，建立靴頭所受載荷與搖臂根部應(yīng)變關(guān)系，并進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定。其次，通過靴頭的垂向振動(dòng)加速度與搖臂根部的應(yīng)變反推出受電靴與接觸軌之間的接觸壓力，研究不同速度下接觸壓力的分布情況、受電靴的振動(dòng)情況。通過位移傳感器與加速度傳感器，研究受電靴以不同的速度通過端部彎頭的動(dòng)態(tài)特性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

整套測(cè)試系統(tǒng)包括加速度傳感器、位移傳感器、應(yīng)變片和數(shù)據(jù)采集儀。整體安裝示意圖如圖1～2所示。

在受流器靴頭底面布置3個(gè)方向互相垂直的加速度傳感器和1個(gè)沖擊型加速度傳感器。沖擊型加速度傳感器用以測(cè)量受電靴在較高速度下與軌道不平順處(如膨脹接頭、端部彎頭等)所產(chǎn)生的垂向加速度。因滑靴上帶有750 V高壓電，所以在滑靴底部與加速度傳感器之間需安裝絕緣的環(huán)氧樹脂型基座。

在搖臂的根部左右兩邊對(duì)稱安裝了1組全橋應(yīng)變片。搖臂根部上下表面對(duì)稱布置1個(gè)十字型90度應(yīng)變花，上下2個(gè)應(yīng)變花組成的全橋接入應(yīng)變?cè)囌{(diào)器連接到數(shù)據(jù)采集儀。兩組應(yīng)變平均值即為靜態(tài)接觸壓力在搖臂中所產(chǎn)生的變形大小。

位移傳感器安裝在受流器電氣箱的頂部。并在搖臂上安裝一支座用來連接位移傳感器的兩端。位移傳感器直接測(cè)量得到搖臂上一點(diǎn)到受流器頂部的距離。通過幾何關(guān)系換算得到滑靴的垂向位移。

圖1 試驗(yàn)儀器安裝示意圖

圖2 靴頭底部加速度傳感器安裝示意圖

應(yīng)變?cè)囌{(diào)器采用DH3818動(dòng)態(tài)應(yīng)變?cè)囌{(diào)器，它輸出的信號(hào)用1 kHz的頻率進(jìn)行采樣。當(dāng)列車運(yùn)行速度為80 km/h時(shí)，采樣間距為22.22 mm，遠(yuǎn)小于三軌支座間距，因而能夠準(zhǔn)確檢測(cè)由于三軌支座安裝不良而造成的軌靴間接觸壓力的異常變化。

2 試驗(yàn)原理

理想情況下，應(yīng)當(dāng)采用直接測(cè)量法測(cè)量靴軌之間的接觸壓力，但因傳感器使用環(huán)境以及高壓電的緣故，本文采用間接法測(cè)量。受電靴受力簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

注:FS為靴軌之間的靜態(tài)接觸壓力,FC為滑靴在垂向方向上受到的接觸壓力,a為加速度

圖3 受電靴受力簡(jiǎn)化模型示意圖

滑靴簡(jiǎn)化模型所受接觸力為：

FC=FS+ma

(1)

式中：

m——滑靴質(zhì)量。

FS通過搖臂根部的應(yīng)變橋路測(cè)量得到；a通過滑靴底部垂向加速度傳感器測(cè)量得到；m通過測(cè)量滑靴幾何幾寸，并根據(jù)所用材料密度換算得到。

通過對(duì)受流器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)可得到FS與搖臂根部應(yīng)變?chǔ)诺膿Q算關(guān)系式FS=K×με(με為微應(yīng)變)。在滑靴底部掛上不同大小的質(zhì)量塊，測(cè)試得到相應(yīng)加載質(zhì)量的應(yīng)變讀數(shù)，對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)與靜態(tài)加載力進(jìn)行線性擬合得到系數(shù)K。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)

通過在受電靴靴頭下部，加載不同質(zhì)量塊，測(cè)量得到受電靴根部應(yīng)變與滑靴受力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。靜態(tài)試驗(yàn)如圖4所示。

圖4 靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)示意圖

重復(fù)進(jìn)行3次靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)，對(duì)于每一個(gè)靜態(tài)加載質(zhì)量，取3次試驗(yàn)數(shù)值的平均值作為該靜態(tài)加載質(zhì)量下的應(yīng)變值。搖臂根部應(yīng)變與靜態(tài)加載質(zhì)量的線性擬合如圖5所示。

圖5 搖臂根部平均微應(yīng)變與靜態(tài)加載力的線性擬合圖

由圖5可得出靜態(tài)加載力與平均微應(yīng)變的關(guān)系：FS=0.222 4 με。兩者的相關(guān)系數(shù)R2為0.999 7，表明靴頭底部所受的靜載荷與搖臂根部的應(yīng)變具有良好的線性關(guān)系。通過此關(guān)系式可根據(jù)應(yīng)變值推導(dǎo)得到靴頭所受的FS。

3.2 接觸壓力分析

無錫地鐵2號(hào)線的受電靴與接觸軌之間的接觸壓力設(shè)定范圍為125 N±20 N。圖6～9為不同速度下，靜態(tài)接觸壓力、靴頭垂向振動(dòng)加速度、靴頭抬升高度的試驗(yàn)曲線。按照試驗(yàn)原理中所闡述的模型，對(duì)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。靜態(tài)接觸壓力由布置在受流器搖臂根部的應(yīng)變組件測(cè)量得到,動(dòng)態(tài)接觸壓力由靴頭垂向振動(dòng)加速度與靴頭質(zhì)量的乘積構(gòu)成。靜態(tài)接觸壓力與動(dòng)態(tài)接觸壓力之和即為受電靴與接觸軌之間的接觸壓力。試驗(yàn)時(shí)，選取線路上紡織城站與渣橋站作為試驗(yàn)區(qū)間，該試驗(yàn)區(qū)間的線路較為平坦，線路長。試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量每一種速度下列車往返4次的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理以減小試驗(yàn)誤差。

a) 接觸壓力

b) 垂向振動(dòng)加速度

c) 靴頭抬升高度

a) 接觸壓力

b) 垂向振動(dòng)加速度

c) 靴頭抬升高度

a) 接觸壓力

b) 垂向振動(dòng)加速度

c) 靴頭抬升高度

a) 接觸壓力

b) 垂向振動(dòng)加速度

c) 靴頭抬升高度

對(duì)接觸壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，不同速度下接觸壓力的概率分布如圖10所示。從圖10中可以看出，20 km/h與40 km/h速度下的接觸壓力分布規(guī)律相近，60 km/h與80 km/h速度下的接觸壓力分布規(guī)律相近；20 km/h與40 km/h曲線較60 km/h與80 km/h的概率密度曲線高、瘦，說明其波動(dòng)較小。

圖10 不同速度下接觸壓力概率分布圖

參考剛性接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng)受流質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)[6]，軌靴間接觸壓力分析引入標(biāo)準(zhǔn)差S。

(2)

式中：

n——采樣數(shù)目；

Fm——接觸壓力平均值；

Fi——第i個(gè)采樣接觸壓力。

采用S與Fm的比值來衡量受電靴的動(dòng)態(tài)性能，當(dāng)S/Fm<20%時(shí)則認(rèn)為靴軌間動(dòng)態(tài)性能良好。表1為接觸壓力試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表。

從表1可以看出，4種列車運(yùn)行速度下的S/Fm都小于20%，說明不同速度下的靴軌動(dòng)態(tài)性能都較為良好；隨著列車運(yùn)行速度的增大，接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)差越大，波動(dòng)越大。

表1 不同速度下接觸壓力試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.3 受電靴振動(dòng)特性分析

通過布置在受流器電氣箱頂部的拉線式位移傳感器，測(cè)量得到搖臂上固定點(diǎn)與拉線式位移傳感器固定點(diǎn)之間的距離。根據(jù)幾何關(guān)系，將拉線式位移傳感器所測(cè)得數(shù)據(jù)換算為列車運(yùn)行過程中受電靴靴頭抬升量的變化。通過布置在靴頭底面的加速度傳感器，試驗(yàn)測(cè)量得到受電靴的垂向振動(dòng)加速度。參考剛性接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng)受流質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)[7]，受電靴受流過程振動(dòng)分析引入受電靴最大垂直振幅A。A越小，表明受電靴的運(yùn)動(dòng)軌跡越平滑，受流質(zhì)量越好。

(3)

式中：

Hmax——跨距內(nèi)受電靴最大高度；

Hmin——跨距內(nèi)受電靴最小高度。

表1為不同速度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。從表1中可以看出，垂向振動(dòng)加速度隨著列車運(yùn)行速度的增大，其振動(dòng)的峰值與波動(dòng)也越大，說明靴頭的振動(dòng)也越劇烈；列車在4種運(yùn)行速度下，靴頭的最大垂直振幅都在5 mm以下；隨著列車運(yùn)行速度的提高，靴頭動(dòng)態(tài)高度變化的幅值與標(biāo)準(zhǔn)差逐漸增大，但各速度下的標(biāo)準(zhǔn)差的差距很小，表明受電靴與接觸軌的跟隨性較好。

表1 不同速度下試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3.4 受電靴與接觸軌端部彎頭接觸特性分析

接觸軌布置的一般原則為盡量減少斷軌，保證接觸軌的連續(xù)性要求，但在一些特殊區(qū)段如車站檢修扶梯處、人防門/防淹門處、區(qū)間疏散平臺(tái)扶梯處等，需要設(shè)置斷口。接觸軌斷口的存在，不可避免地會(huì)對(duì)列車的連續(xù)可靠受流產(chǎn)生一定影響。

本文試驗(yàn)選取某車站站點(diǎn)一端的接觸軌彎頭作為試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)研究了受電靴在20 km/h、30 km/h、40 km/h 3種列車運(yùn)行速度下，與低速彎頭的接觸特性。圖11為受電靴在不同速度下，通過彎頭時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及靴頭的垂向振動(dòng)加速度。

從圖11可以看出，隨著列車運(yùn)行速度的增加，受電靴滑離彎頭時(shí)的波動(dòng)加劇，受電靴撞擊彎頭時(shí)靴頭高度的變化量也加大。但從靴頭高度變化量可以看出，靴頭在40 km/h的速度下撞擊彎頭并沒有脫離接觸軌，與接觸軌之間接觸良好。

a) 速度為20 km/h

b) 速度為30 km/h

c) 速度為40 km/h

表2為受電靴以不同速度通過端部彎頭時(shí)，靴頭垂向振動(dòng)加速度的峰值。從表2可以看出，受電靴隨著撞擊速度的增加，撞擊產(chǎn)生的加速度峰值也越大。

表2 受電靴不同速度通過時(shí)靴頭垂向振動(dòng)加速度峰值比較表

以列車起動(dòng)位置為0位置，圖12為受電靴以不同速度通過端部彎頭的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比圖。由圖12可見，隨著列車運(yùn)行速度的增加，受電靴脫離端部彎頭后的波動(dòng)也越大，但都在幾秒內(nèi)趨于平穩(wěn)。受電靴以40 km/h速度脫離端部彎頭時(shí)振幅最大，約為1.5 mm。

a) 受電靴與端部彎頭接觸運(yùn)動(dòng)軌跡

b) 圖9 a)中A部放大圖

4 結(jié)論

本文通過無錫地鐵2號(hào)線受電靴與接觸軌試驗(yàn)，探討了不同速度下，受電靴與接觸軌之間的接觸壓力、垂向振動(dòng)加速度、靴頭抬升量等物理量的變化，并研究了低速下受電靴與端部彎頭之間的接觸特性。試驗(yàn)分析得到如下主要結(jié)論：

(1)靴頭所受的靜載荷與搖臂根部的應(yīng)變具有很好的線性關(guān)系，可以用來推導(dǎo)得到靴頭所受的靜態(tài)接觸壓力。

(2)在接觸軌連續(xù)段內(nèi)，20 km/h到80 km/h速度范圍內(nèi)，列車運(yùn)行速度對(duì)平均接觸壓力的影響不顯著；隨著列車運(yùn)行速度的增加，接觸壓力的波動(dòng)、受電靴的振動(dòng)也越劇烈。

(3)在接觸軌端部彎頭處，受電靴滑上彎頭時(shí)，隨著列車運(yùn)行速度的增加，沖擊加速度也越大，在40 km/h時(shí)，沖擊加速度大約200 m/s2。