某型有軌電車車輛受電器碳滑板使用壽命優化研究

摘要：儲能式有軌電車使用儲能元件來存儲電能作為動力進行牽引，車輛通過安裝在車頂的受電器與接觸軌接觸獲取電流，具有綠色環保的優點。受電器的碳滑板為保證導電和機械性能，以銅為主要材質成分，車輛頻繁地在站臺充電加速了碳滑板的磨耗速率。本文介紹了有軌電車受電器碳滑板的使用壽命數據分析、優化方案和實施效果，重點分析了受電器滑板壽命的影響因素，提出了加厚滑板和180°旋轉安裝兩種優化方案，通過受力分析和電氣性能分析，能夠在不影響性能的前提下，有效優化碳滑板使用壽命，從40000km提升到100000km以上，可以節約運營維護成本和更換碳滑板工作量。

關鍵詞：有軌電車；受電器；碳滑板

隨著儲能元件的發展以及節能、環保等城市軌道交通發展理念不斷提升，儲能式有軌電車應運而生。儲能式有軌電車使用儲能元件來存儲電能作為動力進行牽引，車輛通過安裝在車頂的受電器與接觸軌接觸獲取電流，利用車輛進出站以及乘客上下車的30s時間實現對儲能裝置的充電，具有綠色環保的優點。

本文以某型有軌電車車輛為研究對象，對受電器碳滑板的實際磨耗數據進行分析，制訂優化方案，驗證實施效果，有效優化碳滑板使用壽命，節約運營維護成本和更換碳滑板工作量。

1車輛概述

列車為4模塊鋼輪鋼軌儲能式有軌電車，三動一拖，車輛最高運行速度為70km/h，運行線路為地面及高架線路。

車輛配置一個小型受電器，受電器主要由絕緣子組裝、底架組裝、拉桿組裝、下臂桿組裝、上框架組裝、平衡桿組裝、弓頭組裝等組成，受電器的主體結構如圖2所示。

受電器采用鉸接的平行四邊形結構，此平行四邊形結構固定一條邊垂直于車頂面，以此固定邊端點為鉸接點，在外界拉力的作用下，平行四邊形一條邊繞此鉸接點轉動，由于平行四邊形相對邊平行的性質，可以保證與固定邊相對的邊保持豎直狀態上升，因此可以保證升降弓過程中，受電器弓頭保持水平。

在弓頭滑板通過弓頭懸掛連接的下臂桿上，弓頭受到網線的沖擊作用，通過弓頭懸掛中的彈簧組件得到緩解，延長弓網之間的碰撞事件，從而降低弓網之間的作用力，延長部件的疲勞壽命。

弓頭懸掛分兩部分，限位架與轉軸鉸接，限位架在平衡桿的控制下繞轉軸進行轉動，保證在升弓過程中角度不變。卷簧連接在限位架上，并被限制在限位架中，當卷簧受力時，可以上下運動，并可以進行扭轉。

受電器的滑板與供電軌之間接觸受電，考慮到進入充電時，受電器滑板與供電軌有比較大的碰撞力，因此選用導電性能良好的金屬銅板作為滑板的材料，受電器接觸滑板為10mm×100mm×420mm的銅板。

受電頭是直接與供電軌接觸的部件，接受電流并承受與供電軌之間的振動和沖擊。一般需承載2400A、持續時間30s的工作電流。

導流線與滑板連接，用來將電流從滑板直接傳導至底架電流接線端子。

受電器滑板通過16個沉頭螺栓連接在活動架上，車輛進站，滑板受到接觸軌壓迫時，滑板與活動架在限位架的約束條件下向下運動，在四個彈簧的作用下，銅滑板與接觸軌充分貼合受電。

每個受電器共8塊碳滑板，用螺栓安裝，單個碳滑板長度200mm，厚度10mm，結構有效磨耗6mm。

根據多個項目實際使用情況，磨耗到限的壽命約40000～60000km。

2受電器滑板壽命影響因素

滑板壽命主要與以下因素有關：

（1）充電電流與時間，滑板壽命與充電電流及時間成反比。

（2）供電軌寬度，滑板壽命與供電軌寬度成反比。

（3）供電軌拉出值，滑板壽命與拉出值的大小成正比。

（4）滑板有效磨耗厚度，滑板壽命與滑板有效磨耗厚度成正比。

本文從受電器自身角度考慮使用壽命優化的方案。

根據以往項目實際使用數據，磨耗到限的壽命約40000～60000km，即碳滑板平均磨耗量約為1.0～1.3mm/10000km。為達到100000km壽命水平，單塊滑板能夠提供的磨耗量需達到13mm以上。

3方案優化

3.1優化碳滑板厚度，將滑板厚度由10mm增加至15mm

3.1.1受力計算

滑板由目前的10mm厚度更換為15mm厚度，整個弓頭重量增加1.82kg。

受力結構如圖8所示。

以下臂桿與底架的支點為轉動中心，進行受力分析：

ΔF×L1×cosα=ΔP×L2×cosβ

已知L1=650mm，L2=129mm，β=34°，α=8°，ΔP=182×9.8=17.9N。

根據上述參數計算彈簧作用力增加量ΔF=75.5N。

采用兩個彈簧，每個彈簧力增加75.5/2=37.7N。

彈簧剛度為3.06N/mm，彈簧伸長量=37.7/3.06=12.3mm。

滑板重量的增加，通過增加彈簧伸長量實現，螺栓伸長量12.3mm。

目前螺栓可調節量65mm，大于12.3mm，滿足設計要求。

3.1.2電氣性能

當滑板的厚度由10mm增加到15mm后，只會影響整體電阻，測量結果可以忽略不計。對電氣性能的影響可以忽略不計。

3.2優化對稱安裝結構

滑板安裝接口優化為對稱結構，可實現180°反轉安裝，充分利用滑板的長度。

3.3優化方案應用效果

新型受電器碳滑板（可180°調裝）新件厚度為15mm，對調安裝后碳滑板厚度為15mm。根據碳滑板檢修更換標準（低于4mm），其有效磨耗厚度為11mm，即新型碳滑板有效磨耗厚度實際為11×2=22mm。能夠滿足的使用壽命22/1.3=169000km。優化前磨耗到限的壽命約40000～60000km，使用壽命得到大幅提高。

3.4受電器滑板長度分析

受電器安裝在車頂轉向架正上方，受電器中心線與車體中心線重合，為使滑板均勻磨耗，站臺區域供電軌兩端分別向軌道線路中心的相反方向偏離，稱該偏離值為拉出值，由標準Q/TXB10162016《儲能式軌道交通車輛受電器與供電軌相互作用準則》5.2.4可知，供電軌的拉出值取70mm，拉出值滿足WS+ML＜200mm，拉出值示意圖見圖11。

根據標準Q/CRRCJ10282020《城市軌道交通儲能式受電器》5.11，受電器橫向位移，受電器滑板不與導電軌脫離，應滿足下式要求：

W1/2＞ML+WS+（W2+H1+H2+H3）/2

由上式可知，滑板長度應大于186mm。

為增加滑板使用壽命，滑板設計為對稱結構，在滑板磨耗到一定程度時將其翻轉180°繼續使用，因此滑板長度應大于186×2=372mm。

考慮到列車可能通過曲線站臺與滑板長度冗余設計，且由于車輛運動，受電器可能會產生偏離車輛中心線的橫向位移晃動量，因此滑板相應加長。

綜上所述，滑板長度設計為400mm。

結語

根據以上分析，受電器碳滑板通過增加厚度和優化結構，從設計源頭出發，將大幅提高滑板使用壽命，節約運營維護成本和更換碳滑板工作量。對于儲能式有軌電車項目具有較強的借鑒意義，將在后續低地板項目進行推廣和跟蹤。

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作者簡介：李達（1991—），男，漢族，湖南常德人，本科，高級工程師，研究方向：城軌車輛總體設計。