雙源無軌電車智能型集電器設計及應用

北京公交保修分公司電車保修廠 李建順

天津市松正電動汽車技術股份有限公司 楊凱新

1 雙源無軌電車集電器概述

1.1 集電器功能

集電器是雙源無軌電車從架空線網上獲得電能的裝置，采用滑動接觸的方式從線網上取電，安裝在車輛頂部。為了進一步提升雙源無軌電車行駛時的機動性，獲得較大的偏線距離，雙源無軌電車采用桿式集電器。每一輛車裝配兩根桿式集電器，車輛取電時分別與架空線網上的正負線滑動接觸。由于集電器是雙源無軌電車從架空線網上取電的特殊裝置，因此其在性能上有著特殊的要求，主要包括：絕緣性能、集電頭觸線壓力、集電頭最大高度、偏線距離和自動升降桿功能。

絕緣性能是車輛安全使用的基本要求，由于集電器整體暴露在車頂部位，通常要求其具備三級絕緣性能，以保證車輛的安全使用。其他四個方面是保證集電器可靠工作的性能要求，集電頭對線網觸線的壓力過大會加重線網磨損，壓力過小易造成脫線或滑塊與觸線導電不良；集電頭最大高度可確保集電器處于自由狀態時不影響周邊；偏線距離可提高車輛的機動性能，車輛在實際運行中的偏線距離與車速有關，隨車速的增大而減小；自動升降桿功能是為了提高雙源無軌電車的機動性能和運行效率。

1.2 結構及工作原理

雙源無軌電車集電器主要由集電頭、集電桿、集電座、繩箱或拉繩和升降桿裝置等構成，集電器的構造如圖1所示。

集電頭是集電器與線網觸線的接觸部分，采用滑靴式球型關節結構,可在水平方向任意轉動，在垂直方向上可做仰、俯角度變換（各為20°），頭部由兩塊夾板（靴幫）構成，便于更換滑塊。集電頭與集電桿的連接處必須采用絕緣材料連接，既可作為一級絕緣，又起到對線網的保護作用，同時要求集電頭安裝有護殼防刮線。

集電桿早期是由無縫鋼管制成，上端漸細，以減小自重和擺動慣性，連接集電頭的高壓導線自集電桿內穿過，集電桿上半段包有絕緣防護層，防止集電頭脫線后集電桿搭接連線網正負線造成線網短路。目前無縫鋼管已由鋁合金替代，不但減輕了集電桿自身的重量，還由集電桿本身取代了連接集電頭的高壓導線。

圖1 集電器構造（局部）

集電座是集電桿的支撐部分，包括水平旋轉、垂直方向運動兩部分，水平旋轉部分是由帶軸頭的底座和單列圓錐滾子軸承套上轉動的外殼組成，可使集電桿沿座中心在縱軸兩側各110°的范圍內作水平旋轉。垂直方向運動部分由桿、夾持器、雙腳叉形器、橫軸和拉簧等構成，夾持器通過桿與雙腳叉形器連為一整體，并可對橫軸作垂直面的轉動，集電器對觸線的壓力是通過2個拉力彈簧調節桿來實現，集電器的自由高度是通過集電器座上的限位機構（彈簧限位器、高度調節螺栓等組成）實現的。

繩箱或拉繩用于手動拉升集電桿。拉繩用來通過人力從線網上拉下集電桿，或把集電桿搭接到線網上。繩箱用來收、放拉繩，繩箱上設有棘輪機構，可限制集電器脫線時的高度。

集電桿升降裝置安裝在集電座的旋轉器上，由升降機構和水平旋轉鎖定機構兩部分組成，升降機構由氣缸、推動臂和滑輪組成，水平旋轉鎖定機構由氣缸和推桿摩擦片組成。

集電器的工作原理如下：

升桿過程：駕駛員解除降桿開關（關閉降落閥門），升降氣缸排氣（氣缸內氣體經電磁閥排入大氣），集電桿拉簧將集電桿拉起，實現升桿。在升桿過程完成前，水平旋轉鎖定氣缸一直處于鎖定狀態，完成升桿動作后，解除旋轉器鎖定狀態，集電桿恢復自由旋轉功能，可以正常應用線網電源行駛。

降桿過程：當駕駛員接通降落閥時，壓縮空氣經電磁閥進入升降氣缸,使活塞桿外移，經推動臂推動集電桿克服集電桿拉簧拉力,使集電桿在左右45°范圍內降落，通過下滑輪沿旋轉座上的滑道回歸中心位置，最終集電桿降落在車頂后部的集電桿托架上。完成降桿動作后，接通鎖定閥門，壓縮空氣經電磁閥進入水平旋轉鎖定氣缸，推動活塞桿，使之與連接的摩擦片緊壓在旋轉器上，鎖定旋轉器，避免行車過程中集電桿左右擺動。

1.3 應用問題

目前國內運行的雙源無軌電車，其集電系統多為上個世紀80年代產品，均是在彈簧蓄力集電器的基礎上，依靠氣動系統，使用氣缸推動集電器與觸網分離，并使用機械裝置保證集電器回歸零位，在集電器進行升桿搭線時，需要司機人工對位甚至下車手工搭線，不僅僅在國內，即使在歐洲的瑞士、匈牙利等地，其在用的集電器也是類似結構。

該種集電器的控制方式主要為：通過電磁閥控制氣缸的進排氣，利用氣體壓縮產生的壓力克服集電桿大簧的拉力來實現集電桿的升降動作，依靠集電桿自身的重力及大簧的拉力實現集電桿自動回到車頂中部位置，無論是結構還是性能都顯落后，尤其是對升、降桿動作的控制，比較生硬，對線網上的捕捉器和車輛頂部的收桿座沖擊較大，對集電器自身的影響也較大，使得集電系統故障率相對比較高。車輛日常運行過程中，在捕捉線網時對車輛停放位置要求十分苛刻，自動捕捉成功率非常低，從而導致線網上的捕捉器利用率較低。為了提高車輛運行效率，絕大部分駕駛員采取直接下車進行人工搭桿的方式，而在路面交通狀況日益復雜的情況下，這對駕駛員的人身安全帶來了不利因素，隨著車輛技術的不斷發展，目前的集電系統已呈現出跟不上車輛技術發展步伐的趨勢。

目前在雙源無軌電車上應用的集電器都沒有實現智能化控制，對自動捕捉線網技術的應用基本上處于空白階段，而且再用集電系統的故障率相對較高，因此，研究智能型集電器對雙源無軌電車的技術發展有著深遠意義。為此，我們重點對雙源無軌電車集電器自動捕捉線網技術方案進行了設計，并對由此開發的產品進行了應用試驗。

2 智能型集電器設計

集電器線網捕捉和升桿、降桿控制是一個較為復雜的系統，在實現線網自動捕捉的過程中，需對集電桿的實時狀態進行一系列的測算和信息轉化，結合相應的邏輯關系轉變成集電桿的動作狀態，其中控制邏輯關系的設定非常重要。

為了便于分析和識別，將集電桿的狀態設定為六種，見狀態分析圖（圖2），分別是：零位狀態、觸線位狀態、自由位狀態、升桿捕獲狀態、強制升桿狀態、降桿狀態，具體定義如下：

零位狀態：機構處于收桿座內，收桿座關閉，集電桿的高度在設定閾值范圍內，行程開關到位；

圖2 集電桿狀態分析圖

觸線位狀態：集電桿處于觸線網上，集電桿的高度與角度都在設定閾值內（線網高低波動范圍）；

自由位狀態：集電桿非零位與觸線位的靜止狀態；

升桿捕獲狀態：集電桿處于零位狀態，司機觸發升桿指令，相機檢測到“M”捕捉器坐標信息轉發給姿態控制器，姿態控制器換算出捕捉器的位置，并規劃出合適的運動曲線；

強制升桿狀態：橫擺電機鎖住零位位置，集電桿保持上升；

降桿狀態：集電桿先降到安全高度，橫擺電機帶動集電桿回歸零位，再降到收桿座內。

2.1 自動捕捉設計

主要控制策略：司機依據車輛運行需求向車頭控制器發送升桿需求指令，車頭控制器將采集到的指令以及通過整車控制器采集到的車輛運行狀態信息轉發給姿態控制器，姿態控制器對集電桿所處狀態進行采集檢測，同時相機控制器對“M捕捉器”進行識別，如果姿態控制器及相機控制器檢測結果均符合升桿捕捉條件，則姿態控制器向閥島控制器、橫擺電機控制器發送動作響應指令，此時，收桿座打開，集電桿升起開始進行捕捉動作，整個過程中，相機控制器對集電桿的狀態進行實時監控，并通過閥島控制器及橫擺電機控制器進行適時調整，如果升桿捕捉到位，則能檢測到線網充電信息，整個捕捉動作完成，否則此次捕捉失敗，結束此次捕捉動作。

升桿捕捉過程中，如果姿態控制器檢測到集電桿處于非零位狀態，則需再次對集電桿狀態進行檢測，同時姿態控制器將檢測結果反饋給車頭控制器及顯示器，從而告知司機集電桿處于非零位狀態，需先將集電桿調整為零位狀態。如果對集電桿狀態及“M捕捉器”識別超時，則直接返回到升桿需求指令步驟，開始重新進行檢測，直至完成，自動捕捉控制流程如圖3所示。

圖3 自動捕捉控制流程

2.2 降桿鎖定設計

主要控制策略：司機向車頭控制器發送降桿需求指令，車頭控制器將采集到的指令以及通過整車控制器采集到的車輛運行狀態信息轉發給姿態控制器，姿態控制器對集電桿所處狀態進行采集檢測，如果姿態控制器檢測結果均符合降桿條件，那么姿態控制器向閥島控制器、橫擺電機控制器發送動作響應指令，此時，收桿座打開，集電桿開始下降動作，整個過程中，相機控制器對集電桿的狀態進行實時監控，并通過閥島控制器及橫擺電機控制器進行適時調整，當集電桿下降至安全高度時，橫擺電機開始執行回位動作，當檢測到集電桿到達零位狀態后，集電桿再度下降至收桿座底部，收桿座關閉并鎖定，降桿動作結束。

降桿過程中，若姿態控制器檢測到集電桿處于非升起狀態（觸線狀態和自由狀態），則需再次對集電桿狀態進行檢測，同時姿態控制器將檢測結果反饋給車頭控制器及顯示器，從而告知司機集電桿處于非升起狀態。在集電桿下降時，如果未下降至安全高度，則再次進行降桿動作，直至集電桿降至安全高度。在集電桿下降至零位狀態檢測時，若檢測到未達到零位狀態，則繼續由橫擺電機進行回位調整動作，直至回到零位狀態，若在對零位狀態進行檢測時超時，則執行機械回位動作，即收桿座關閉鎖定，集電桿不再下降，同時將動作結果反饋給顯示器，從而告知司機，降桿鎖定控制流程如圖4所示。

圖4 降桿鎖定控制流程

3 系統結構設計

智能型集電器機械結構是在充分參照原有雙源無軌電車集電器結構的基礎上進行設計的，在設計過程中以集電器運行實際狀況為出發點，充分考慮集電器的工作效率、故障率、穩定性等因素，著重在收桿座、壓縮氣缸、旋轉機構、集電桿拉簧等主要部件上進行了重新設計，確保了集電器智能化的實現。

3.1 智能集電器總成結構

智能集電器總成主要由集電靴、氣動收桿座、集電桿、自升型執行器總成、電控總成及底座總成構成（圖5）。新型智能集電器總成中的集電頭、集電桿在結構上未做更改，仍采用現有的技術，集電頭為防刮線式集電頭，集電桿采用鋁合金材料；底座總成由于升降桿執行機構的變化進行了相應的改進，變動不是很大；此次智能集電器的設計主要體現在自升型執行器總成及氣動收桿座總成上。

3.2 自升型執行器總成

自升型執行器總成兼容原有的安裝尺寸，收桿后自身高度0.5m，按照車輛設計要求，可保證整車最高不超過3.5m；保留雙源無軌電車集電系統三級絕緣模式，采用硬線控制。其主要結構如圖6所示。

橫擺電機采用永磁同步電機，一體化設計，結構緊湊。電機采用外轉子設計，慣量小、扭矩大，對桿零阻力、不脫線；位置伺服控制，主動橫向擺動，集成高精度旋變，監控集電桿角度。

豎擺系統采用氣壓控制，繼承了氣動系統的絕緣性；位置伺服控制，動作柔和可控，實時監控，安全可靠。

自升型執行器總成具備良好的兼容性，保持原有的集電桿、集電靴、拉簧、繩箱不變，兼容集電器原有功能不變，便于維護，兼容現有線網和捕捉器。

3.3 氣動收桿座總成

收桿座整體結構由三大部分組成，分別為殼體、翻鉤組件、吹氣機構，如圖7所示。

殼體部分：收桿座外殼是從各種功能需求出發進行的結構設計，充分考慮了攝像頭和吹氣機構的安裝位置，以及集電桿落下時能有效防止集電桿絕緣層破損的問題。首先，根據三維模型和二維圖紙的排布確定攝像頭和吹氣機構的位置安排，保證吹氣機構可以有效去除鏡頭前的雨水和污物，又通過樣機試驗，證明了所選位置的合理性。然后選取D型V帶作為降桿時的緩沖物，有效保護了集電桿的絕緣層，且V帶耐老化性較好，可長時間使用，提高了緩沖功能的可靠性。

翻鉤組件：翻鉤組件機構選用氣動方式，其動作控制由閥島總成統一進行。選取四連桿機構，采用蟹爪式的動作形式，在集電桿搭線工作時，翻鉤機構保持打開狀態，降桿時閥島控制機構閉合，從而將集電桿鎖在收桿座中，有效防止集電桿意外升桿造成嚴重事故。翻鉤表面浸塑處理，防止集電桿絕緣層被破壞。

圖5 智能集電器總成結構圖

圖6 自升型執行器總成結構圖

吹氣機構：吹氣機構功能是使用高壓氣體去除鏡頭前的雨水和污物，在雨雪等天氣時，保證圖像識別系統可以正常工作。所選用的氣路零件材料包括鋁合金、不銹鋼和黃銅，不會因生銹而導致功能失效，提高了吹氣機構的可靠性。吹氣嘴的選擇是通過模擬實際淋雨情況進行多種形式氣嘴試驗最終確定的，該氣嘴在試驗條件下可有效去除鏡頭前的雨水，且通過實際樣車測試，功能滿足使用要求。

4 智能型集電器應用效果

產品設計開發完成后，為進一步驗證其性能，智能集電器在北京公交集團4輛車上進行裝車試運行驗證，截至2019年1月底已運行3年多，期間智能型集電器整體運行狀況良好，主要表現在以下幾個方面。

（1）系統安全性能。按照雙源無軌電車產品耐壓標準對智能型集電器進行了絕緣和耐壓測試，絕緣測試結果為一級絕緣、二級絕緣的值均為無窮大，對系統進行3500V/AC的耐壓測驗，漏電流小于2mA,沒有表面跳火現象和絕緣材料擊穿等現象，滿足雙源無軌電車的耐壓性能要求。

（2）系統匹配性。產品路試選裝在102路車輛及運行線路上，在現有捕捉器上加裝了集電器捕捉識別標識（圖8），智能型集電器安裝在原有集電系統的底座上，其安裝尺寸與原系統相同，具有互換性，對車輛的改動較小，車輛路試工況未做任何調整，完全按照原來的運行狀態進行試驗。整體而言，對線網及車輛的改動均較小，產品與原有集電器具有良好的互換性，與在用車輛的匹配性較好，且通過4輛車的改造，已形成成熟的工藝。

（3）系統可靠性。通過多次自動捕捉試驗，車輛停放在捕捉器位置左、右各2m范圍內自動捕捉功能均完好有效，對車輛停放位置要求較為寬松。原車集電器對車輛停放要求十分苛刻，要求車輛必須停放在捕捉器正下方，且集電桿升起時集電頭正對捕捉器。相比而言，在進行自動捕捉時，新系統降低了對司機駕駛能力的要求，同時也提升了車輛的運行效率，且集電桿在脫離線網后能夠實現自動收桿功能，也體現出了新系統的安全性。

通過對系統運行3年的故障統計，試驗期間智能型集電器共計出現了3次故障。

（1）試驗過程中出現了收桿座鎖鉤鎖住集電桿而無法升起問題，原因是鎖鉤出現了卡滯，且在鎖死后，人工打開鎖鉤困難，鎖鉤的人工打開裝置在車頂，設計時未考慮集電桿被鎖住時，天窗無法打開問題，目前已對鎖止機構進行了改進。

圖7 氣動收桿座總成結構圖

圖8 捕捉識別標識

（2）雨雪天氣情況下，當攝像頭屏幕上出現泥狀污物時，識別捕捉標識困難，不能自動升起，之前為手動控制清潔（吹氣方式），現改為按下升桿時自動清潔5s。

（3）在升桿時，出現兩根集電桿往一個“帽子”里鉆的現象，原因為車頂位置不平穩，可通過調試程序解決。

（4）系統維修。系統維修完全依照傳統的方式和周期進行，整體結構簡單，維修方便，不僅沒有額外增加維修成本，還有一定程度的降低，滑塊更換能在地面進行，省力、方便、安全。

通過對智能型集電器的裝車試運行驗證，其使用和操作方法較為簡便，具有良好的人機交互功能，非常容易被司機接受。通過3年多的裝車運行試驗，在車輛日常運營過程中較為穩定，不僅故障率較低，集電桿在車輛運行過程中發生脫線時，能夠迅速收回，有效避免了線網架空事故的發生。經過對主要零部件的拆檢，未發現異常磨損等情況。試驗周期內，系統及主要零部件工作狀況穩定，在捕捉器下，對車輛的停放位置要求較為寬松，捕捉器位置左、右各2m范圍內均能實現自動捕捉成功率達到100%，提高了車輛的運行效率，大大降低了司機的勞動強度，同時也避免司機下車搭桿所帶來的人身安全風險，受到了司機的一致好評。

目前北京區域運營的雙源無軌電車需要司機在車道的指定位置停車，要求條件較為苛刻，司機只能依靠經驗去判斷停車狀況，然后再操作集電桿捕捉裝置完成觸線取電工作。智能型集電器不需要依賴司機準確的停車位置，在一定的區域內就可以完成捕捉線網工作，操作是依靠先進的圖像識別技術與可靠的伺服控制技術。

隨著科學技術的不斷進步，雙源無軌電車集電系統將逐漸實現集成化、系統化，集電桿搭桿將不再需要司機操作，在日常運營時，系統自動完成搭線充電任務，智能型集電系統使用圖像識別系統捕捉線網，車輛在線充電行駛時若發生脫線可自動收回。集電系統具有更高的適應性，也使得一些日常供電線網設備更高效，將為進一步縮短高壓架空網的長度提供可能。我們暢想在不久的將來，更加智能的新型集電器將不再依托捕捉器捕捉線網，可隨時根據車輛行駛狀態與動力需求判斷是否需要捕捉高空架線網，并自動控制集電桿完成搭桿動作，不再需要停車和司機參與，使駕駛員的操作更加方便智能，大幅度提高車輛運營的安全性。