一種礦井無軌運輸受電弓裝置的研究與應(yīng)用

樊 桃

(中國鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司 北京 100043)

1 前言

在電氣化鐵路中，受電弓的作用是將電能安全可靠地傳輸?shù)綑C(jī)車電動牽引裝置上。受電弓安裝在機(jī)車或動車車頂上，一般由主架、臂、弓頭和傳動裝置等部件組成[1]。

接觸網(wǎng)與受電弓的相互作用決定供電可靠性和供電質(zhì)量，其相互作用依賴于受電弓和接觸網(wǎng)的設(shè)計方案。接觸網(wǎng)及受電弓系統(tǒng)要求通過連續(xù)的電氣和機(jī)械接觸給牽引車輛供電，與此同時要使接觸線和滑板的磨耗保持盡可能低的程度。為了實現(xiàn)令人滿意的受流質(zhì)量，滑板與接觸線間的接觸壓力、過渡電阻、接觸面積等因素應(yīng)該遵循標(biāo)準(zhǔn)要求。

受電弓和接觸網(wǎng)相互作用的基本要求是：由于受電弓在運行中相對于接觸網(wǎng)橫向運動，而受電弓弓頭總是超出接觸線最不利的位置，只有在運行中接觸線不離開受電弓弓頭的工作范圍才能使系統(tǒng)順利運行。

目前國鐵及地鐵的受電弓的應(yīng)用研究比較成熟，受電弓主要由弓頭、框架、底架和傳動結(jié)構(gòu)四部分組成，受電弓種類繁多，按傳動系統(tǒng)的工作方式可分為彈簧操作式和非彈簧操作式，按照臂桿的結(jié)構(gòu)形式可分為單臂式和雙臂式。單臂弓和雙臂弓，均由滑板、上框架、下臂桿(雙臂弓用下框架)、底架、升弓彈簧、傳動氣缸、支持絕緣子等部件組成。其工作原理是將壓縮空氣經(jīng)電空閥均勻進(jìn)入傳動氣缸或?qū)嚎s空氣經(jīng)受電弓緩沖閥迅速排向大氣，使受電弓勻速上升或下降脫離接觸網(wǎng)。列車通過安裝在車身上方的受電弓沿接觸線滑動，從接觸網(wǎng)取流，列車運行時弓網(wǎng)耦合作用是決定列車安全穩(wěn)定運行的重要因素之一。但是國鐵及地鐵均為有軌交通系統(tǒng)，其受電弓形式無法直接應(yīng)用于無軌運輸供電系統(tǒng)上。

在高速鐵路及城市軌道交通的弓網(wǎng)接觸力以及驅(qū)動方式?jīng)Q定了跟隨性能[2-3]。無軌電車系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大，且參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)[4]。受電弓動態(tài)特性主要為受電弓幅頻特性及其跟隨性，它與受電弓結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)[5-7]。無軌電車弓頂雙導(dǎo)電滑板在一定的高度范圍內(nèi)能夠隨網(wǎng)始終保持平面接觸、平行滑動，以保證弓和網(wǎng)之間緊密良好的電氣機(jī)械彈性接觸，從而穩(wěn)定地連續(xù)受電[8]。

針對礦井內(nèi)無軌運輸供電系統(tǒng)中接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及環(huán)境的特殊性，本文提出了與三軌式接觸網(wǎng)相匹配的受電弓裝置，并通過液壓和電控方式實現(xiàn)動態(tài)跟蹤、協(xié)調(diào)控制，保證了受電弓取流穩(wěn)定性和良好的弓網(wǎng)跟隨性。

2 結(jié)構(gòu)組成

剛性架空接觸網(wǎng)對隧道凈空要求相對較小，可節(jié)省土建費用[9]。針對礦井巷道的特點，無軌運輸供電系統(tǒng)的三軌式接觸網(wǎng)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由正極軌、負(fù)極軌和接地軌通過橫向懸掛的支撐絕緣子安裝固定，形成一個穩(wěn)定的倒三角型結(jié)構(gòu)。

圖1 三軌式剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)無軌運輸供電系統(tǒng)的礦井地面凹凸起伏特點以及更好地匹配上述結(jié)構(gòu)形式的接觸網(wǎng)，降低離線率，保證受電弓的跟隨性，同時在綜合考慮無軌運輸供電系統(tǒng)的受電弓的導(dǎo)向以及受電弓與正極軌和負(fù)極軌平順接觸和取流，受電弓的結(jié)構(gòu)以及控制方式就至關(guān)重要。

本文提出一種基于液壓彈簧復(fù)合動力系統(tǒng)，采用電控技術(shù)與液壓技術(shù)聯(lián)合控制的三極滑觸式受電弓裝置。其組成包括受電弓的弓頭、舉升機(jī)構(gòu)、底座以及液壓和電控系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 受電弓裝置結(jié)構(gòu)

2.1 受電弓弓頭

受電弓弓頭包括弓頭絕緣支架主體、受電碳刷組合、導(dǎo)軌輪組合、中心軸彈簧組合、彎板組合、軟銅排、接地刷組合，如圖3所示。

圖3 受電弓弓頭

(1)弓頭主體

絕緣支架主體作為受電弓弓頭的主體部件，由環(huán)氧樹脂絕緣材料沖壓成型，除了作為其他零件的安裝主體，還保證了電氣安全絕緣。絕緣材料制成的模具整體成型，其放射型的結(jié)構(gòu)保證弓頭絕緣，增大弓頭的爬電距離。彈簧軸采用銅合金，兩端螺桿上安裝內(nèi)彈簧、電纜、受電刷。上、下端蓋由不銹鋼制成，用于連接固定彈簧軸和本體，防止彈簧軸的左右擺動。內(nèi)彈簧承受電刷組合的重力，其慣性小，動作快，補償及時，能快速消除軌道不平順引起的振動。

(2)受電刷組合

受電刷分為正極、負(fù)極，分別安裝在絕緣支架的兩側(cè)和彈簧軸上端，主要包括受電刷和導(dǎo)電銅板。受電刷由鋁青銅制成，具有高耐磨抗腐蝕性，表面平直光滑，保證與導(dǎo)軌接觸平滑，用于從接觸網(wǎng)上取電；導(dǎo)電銅板采用銅銀合金，其中部和左右兩側(cè)開有不同直徑的通孔，中部通孔利用螺釘與受電刷相連，左右兩側(cè)通孔與彈簧軸連接。受電刷下部增加編織銅帶跳線及電纜連接轉(zhuǎn)接板，作為車輛取電電纜的連接固定點。

(3)導(dǎo)軌輪組合

導(dǎo)軌輪組合安裝在弓頭前后兩端，主要包括導(dǎo)軌輪、輪支架、軸套和拉簧。導(dǎo)軌輪和輪支架都采用不銹鋼制成，導(dǎo)軌輪兩側(cè)帶凸緣，實現(xiàn)受電弓導(dǎo)向，抑制脫軌；輪支架上焊接螺栓與弓頭主體連接。拉簧安裝在導(dǎo)軌輪左右兩側(cè)，調(diào)整導(dǎo)軌輪位置，有利于升弓。導(dǎo)軌輪與接觸網(wǎng)的接地導(dǎo)向軌接觸，保證了受電弓弓頭時刻跟隨接觸導(dǎo)軌前進(jìn)不左右偏離。

(4)彎板組合

彎板組合利用螺栓安裝在弓頭主體底部，主要包括彎板和接近開關(guān)。彎板采用不銹鋼，折彎成型，上端開孔用于安裝接近開關(guān)。接近開關(guān)選用電容式接近開關(guān)，檢測受電弓運行狀況。

(5)接地刷組合

接地刷組合利用銷軸安裝在彎板組合上，主要包括轉(zhuǎn)臂、接地刷、連接導(dǎo)線。轉(zhuǎn)臂由不銹鋼制成，隨彎板自由轉(zhuǎn)動，調(diào)整接地刷高度。接地刷采用鋁青銅，連接接地電纜，實現(xiàn)整車接地。

(6)中心軸彈簧組合

中心軸彈簧是為了讓受電弓弓頭對接觸網(wǎng)保持有一定的壓力，保證弓頭不脫軌。中心軸彈簧組合主要包括中心軸彈簧、中心軸、上端蓋和軸套。中心軸由不銹鋼焊接成型，上端連接弓頭主體，下端連接舉升機(jī)構(gòu)；中心軸彈簧隨路面及凈空高度的變化而伸縮，快速消除振動，保證弓頭的跟隨性。

2.2 受電弓底座及舉升機(jī)構(gòu)

受電弓底座主要包括底座主體、固定轉(zhuǎn)接座、鎖定機(jī)構(gòu)、接近開關(guān)，如圖4所示。

圖4 受電弓底座

底座主體承接以上各部件及液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)，下部與車輛連接。固定轉(zhuǎn)接座通過銷軸與回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)接座鉸接，安裝受電弓舉升機(jī)構(gòu)。鎖定機(jī)構(gòu)包括鎖定油缸和擋塊。鎖定機(jī)構(gòu)在降弓到位后鎖定舉升機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動部分為雙作用油缸。接近開關(guān)檢測舉升機(jī)構(gòu)是否降弓到位，當(dāng)接近開關(guān)燈亮表示降弓到位，將信號反饋給電控系統(tǒng)。

受電弓舉升機(jī)構(gòu)包括腕臂組合、舉升油缸、回轉(zhuǎn)油缸，如圖5所示。

圖5 受電弓舉升機(jī)構(gòu)

腕臂組合如圖6所示，導(dǎo)電電纜用于傳輸電能；鎖定碰卡用于鎖定受電弓；圓形和方形桿在回轉(zhuǎn)油缸或舉升油缸的作用下實現(xiàn)轉(zhuǎn)動或抬升；水平拉線固定在受電弓弓頭上，其作用是保持受電弓弓頭平行于軌道；油缸連接板用于連接舉升油缸。

圖6 腕臂組合

舉升油缸如圖7所示。舉升油缸串聯(lián)壓縮彈簧，油缸伸出時，通過彈簧向接觸網(wǎng)施加壓力，保持滾輪對接地軌壓力。舉升油缸為雙作用油缸，行程181 mm，工作油壓20 MPa。油缸彈簧補償線路及軌道引起的導(dǎo)高長時間連續(xù)變化。

圖7 舉升油缸

回轉(zhuǎn)油缸為雙活塞桿油缸，驅(qū)動舉升機(jī)構(gòu)實現(xiàn)回轉(zhuǎn)，如圖8所示?；剞D(zhuǎn)油缸為中間絞軸式油缸，行程200 mm，工作油壓20 MPa。

圖8 回轉(zhuǎn)油缸

機(jī)械機(jī)構(gòu)配合液壓系統(tǒng)能快速靈敏實現(xiàn)受電弓的舉升動作，保證弓頭的運動軌跡。

3 控制系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)傳遞并實現(xiàn)對受電弓升降運動控制，控制機(jī)構(gòu)控制受電弓的升降弓運動[10]。為了解決普通氣缸的受電弓動作速度易受負(fù)載變化產(chǎn)生振動，容易發(fā)生弓網(wǎng)離線甚至脫弓事故、影響取流效果的問題，提出基于液壓彈簧復(fù)合動力的電動控制受電弓裝置。

液壓技術(shù)傳動平穩(wěn)、承載力大、易于實現(xiàn)過載保護(hù)[11]，而彈簧能快速反應(yīng)線路和接觸網(wǎng)不平順引起的振動，保持弓網(wǎng)良好持續(xù)接觸。中心彈簧是為了讓受電弓弓頭對接觸網(wǎng)保持一定的壓力，保證弓頭不脫軌。通過液壓缸和彈簧的串聯(lián)保證受流良好，避免發(fā)生脫弓、脫網(wǎng)等事故，很好地解決了傳統(tǒng)氣動傳動受電弓裝置存在的問題。

其中液壓彈簧復(fù)合動力系統(tǒng)由舉升油缸、回轉(zhuǎn)油缸、鎖定油缸構(gòu)成。舉升油缸中串聯(lián)一組彈簧，其作用是實現(xiàn)受電弓裝置的上下抬升動作和減振；回轉(zhuǎn)油缸控制受電弓左右回轉(zhuǎn)的動作。

液壓系統(tǒng)通過液壓閥組控制三個油缸動作，實現(xiàn)升弓、降弓、快速降弓、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、鎖定、解鎖、回轉(zhuǎn)鎖定等功能，液壓系統(tǒng)原理如圖9所示。

圖9 液壓原理

其中V1是電磁球閥，得電打開，失電關(guān)閉，液壓系統(tǒng)執(zhí)行任何動作，首先V1得電。V1失電關(guān)閉時，關(guān)閉整個受電裝置液壓系統(tǒng)高壓油源，以保持車輛蓄能器液壓油量。

通過各種液壓電磁閥的配置，實現(xiàn)不同的動作和功能。通過控制閥V1、V2得電時升弓，閥V1、V3得電時降弓，閥V1、V3、V4得電時快速降弓，閥V1、V5、V6得電和閥V1、V5、V7得電時分別實現(xiàn)左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，閥V1、V8得電和閥V1、V9得電時分別實現(xiàn)鎖定和解鎖，閥V1、V5得電時回轉(zhuǎn)鎖定，如表1所示。

表1 功能動作

液壓彈簧復(fù)合動力系統(tǒng)重量輕、體積小、運動慣性小、反應(yīng)速度快。其三個液壓缸能實現(xiàn)抬升、回轉(zhuǎn)和鎖定動作，使受電弓操作控制更簡單，其緊急保護(hù)功能大大提高了人、車的安全系數(shù)。與彈簧的串聯(lián)系統(tǒng)，使受電弓能適應(yīng)長時間、快頻率的振動，保證受電弓持續(xù)穩(wěn)定接觸供電軌，降低了脫弓事故的風(fēng)險，提高運行可靠性。該受電弓采用電控技術(shù)與液壓技術(shù)聯(lián)合控制，實現(xiàn)了更高程度的自動控制過程。

電控系統(tǒng)采用PLC控制，包含位置監(jiān)測、通信、面板操作、繼電器動作等，如圖10所示。

圖10 電控系統(tǒng)

通過安裝在前后導(dǎo)向輪上的兩個接近開關(guān)來實現(xiàn)脫軌檢測，當(dāng)兩個接近開關(guān)同時感應(yīng)到導(dǎo)軌時，則“升弓到位”指示燈亮，當(dāng)兩個接近開關(guān)檢測不到導(dǎo)軌時，則認(rèn)為脫軌，系統(tǒng)自動啟動快速降弓程序。

采用安裝在底座回轉(zhuǎn)位置的接近開關(guān)，檢測升降和回轉(zhuǎn)角度進(jìn)行左右極限檢測，判別車輛是否偏離軌道，若檢測到極限信號則系統(tǒng)啟動快速降弓程序。

4 結(jié)束語

將本文提出的受電弓裝置在模擬試驗段及某礦井輔運平硐供電系統(tǒng)中進(jìn)行了弓網(wǎng)冷滑及熱滑試驗，在試驗期間，受電弓裝置對接觸軌的跟隨性良好，試驗電車受流穩(wěn)定，接觸網(wǎng)系統(tǒng)零部件機(jī)械性能滿足電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件標(biāo)準(zhǔn)[12]，試驗工作取得圓滿成功。

本文提出的受電弓裝置是針對特殊的無軌運輸供電系統(tǒng)三軌式接觸網(wǎng)相適應(yīng)的重要部件，在礦井巷道的試驗驗證了該裝置的機(jī)械性能和電氣性能的可靠性和穩(wěn)定性。