高速公路接觸網(wǎng)電力貨車受電弓的技術(shù)研究

□宋一凡 杜丹豐

電氣化公路是指架設(shè)了電力接觸網(wǎng)，能夠為電力汽車供給連續(xù)電能以驅(qū)動其行駛的道路。電力汽車是可以由電氣化公路提供電能行駛的電動或混合動力汽車，架設(shè)在電氣化公路沿線為電力汽車供電的電力傳輸網(wǎng)稱為接觸網(wǎng)，安裝在電力汽車頂部從接觸網(wǎng)接受電能的裝置稱為受電弓。當(dāng)汽車駛?cè)牍╇妳^(qū)時，受電弓可自動識別高速公路上架設(shè)的接觸網(wǎng)，在獲得用戶授權(quán)后，受電弓即可升起完成觸網(wǎng)操作。當(dāng)電力汽車駛出供電區(qū)后受電弓自動收起并啟動混合動力引擎，切換到蓄電池電力驅(qū)動。

一、系統(tǒng)組件

滾動弓頭受電弓是一種具有特殊結(jié)構(gòu)弓頭的受電弓，安裝在車頂上，由底架、升弓機構(gòu)、傳動機構(gòu)、弓頭組件、控制機構(gòu)(包括升降弓控制系統(tǒng)、弓網(wǎng)振動主動控制系統(tǒng))等組成，與普通滑板式受電弓不同之處在于弓頭部分與接觸網(wǎng)接觸的是一可繞其軸線旋轉(zhuǎn)的滾子，電力汽車前進(jìn)時，滾子與接觸網(wǎng)相對滾動，從接觸網(wǎng)受取電能。控制機構(gòu)中用于抑制振動的激振器安裝于受電弓的兩個力臂之間，位于滾動弓頭軸承處的接觸壓力傳感器檢測到振動時，控制器控制激振器活塞桿伸縮以抵消振動。光纖內(nèi)埋式磨損傳感器嵌于滾動弓頭內(nèi)，用以檢測弓頭滾子的磨損，并在滾子磨損至繼續(xù)工作存在安全隱患時將信號傳至控制器使受電弓自動降落。系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 受電弓結(jié)構(gòu)及工作原理系統(tǒng)框圖

二、關(guān)鍵技術(shù)

(一)滾動弓頭?；迨鞘茈姽瓘慕佑|網(wǎng)引流的重要元件。普通受電弓滑板與接觸網(wǎng)為滑動摩擦，為了保證接觸良好必須使滑板與接觸網(wǎng)之間具有一定的壓力，但壓力會帶來滑板和接觸網(wǎng)的磨損，滑板磨損尤為嚴(yán)重。若以滾子代替滑板將有效避免這一矛盾，滑板與接觸網(wǎng)的滑動摩擦將轉(zhuǎn)化為滾子與接觸網(wǎng)的滾動摩擦，滾動摩擦與滑動摩擦相比可以在增大接觸壓力的同時減少弓網(wǎng)磨損，并減小接觸電阻，提高受電弓的壽命。

接觸電阻是降低電傳輸電能效率的主要因素，接觸電阻將使接觸處局部溫度升高，加劇滑板的磨損，應(yīng)當(dāng)盡量減小接觸電阻，并減小電阻值的波動。接觸電阻一般包括集中電阻和接觸面間的膜層電阻。

集中電阻是由于兩接觸表面間凹凸不平，實際接觸面積很小引起的，電流流經(jīng)時發(fā)生劇烈收縮現(xiàn)象，集中電阻受接觸形式的影響，接觸形式包括面接觸、線接觸和點接觸，接觸總面積依次減小，集中電阻隨接觸面積的增大而增大。面接觸接觸面積最大，集中電阻最小。接觸壓力的變化將改變接觸處的接觸形式，線接觸隨著接觸壓力的增大由于發(fā)生塑性變形將轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|。接觸形式對膜層電阻同樣也有影響，接觸形式不同接觸面間的壓強也不同。在接觸力相同時，點接觸壓強越大，接觸面的薄膜層越容易被破壞，從而使膜層電阻越小。因此點接觸膜層電阻最小，面接觸膜層電阻最大，線接觸介于二者之間。因此，接觸壓力對集中電阻和膜層電阻均有影響，隨著接觸壓力的增大，接觸面積增大，集中電阻減小；薄層膜越容易被破壞，膜層電阻減小。集中電阻和薄層電阻均減小，接觸電阻也因此減小。同時由于接觸壓力增大，摩擦加劇，產(chǎn)熱增多，滑板溫度升高使其電阻增大，同時加速了金屬材料的氧化，其表面的氧化層加厚，膜層電阻增大，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生更大的發(fā)熱量，形成惡性循環(huán)。因此控制滑板溫度是提高其抗受流磨損性能的重要因素。

通過上述分析可知，增大接觸壓力以減小接觸電阻的同時加劇了接觸面的磨損。但由于滾動弓頭滾動摩擦的特性，使滑板與接觸網(wǎng)接觸處的相對速度大大減小，同時滾子旋轉(zhuǎn)使接觸處實時變化，溫度被分散至整個圓柱面，因此滾動摩擦導(dǎo)致的材料磨損將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滑動摩擦，采用滾動弓頭將大大提高弓頭的使用壽命。為了增大接觸壓力的同時降低弓線磨損和弓線溫度，采用滾動弓頭是一種有利的方法。

(二)弓網(wǎng)自適應(yīng)振動主動控制技術(shù)。為了減弱弓網(wǎng)系統(tǒng)的振動對接觸網(wǎng)和受電弓滑板的沖擊和磨損，延長弓網(wǎng)系統(tǒng)使用壽命，保證弓網(wǎng)可靠接觸，優(yōu)化弓網(wǎng)系統(tǒng)運行品質(zhì)，采用弓網(wǎng)自適應(yīng)振動主動控制技術(shù)。

自適應(yīng)振動主動控制方法的基本原理是觀測器獲得弓網(wǎng)參數(shù)變化實時信號，控制器將此信號根據(jù)控制算法進(jìn)行計算，并通過自適應(yīng)規(guī)律調(diào)節(jié)后輸出給作動器，作動器產(chǎn)生相應(yīng)動作抵消振動。將自適應(yīng)主動振動控制技術(shù)應(yīng)用于受電弓，可以有效解決電力汽車的穩(wěn)定受流問題。位于受電弓滾子軸承處的接觸壓力傳感器獲得振動信號，PID收到信號進(jìn)行模糊處理，自動檢測系統(tǒng)參數(shù)變化并產(chǎn)生與振源振幅相同、方向相反的動作信號來抵消振動。自適應(yīng)振動主動控制技術(shù)的應(yīng)用使弓網(wǎng)間的接觸壓力始終維持在標(biāo)準(zhǔn)值附近，因此可以提高受流質(zhì)量、減小設(shè)備磨損。

三、接觸網(wǎng)電力貨車受電弓的社會和經(jīng)濟效益

公路運輸一直是貨物運輸中最重要的組成部分，目前公路運輸量仍居貨物運輸量之首，其地位能長期保持的原因就是其不斷創(chuàng)新的運輸模式。電氣化公路將為未來公路運輸?shù)陌l(fā)展注入新的活力。電氣化高速公路同樣將極大地推動新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電氣化高速公路將是新能源產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。從長期來看，電氣化高速公路的發(fā)展對于促進(jìn)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，改善我國能源結(jié)構(gòu)，提高就業(yè)率，實現(xiàn)高質(zhì)量綠色發(fā)展具有重要意義。而受電弓將是電氣化公路實現(xiàn)的關(guān)鍵。

四、結(jié)語

弓網(wǎng)關(guān)系是目前制約電氣化公路實現(xiàn)的主要瓶頸，在道路不平、不規(guī)則風(fēng)及空氣阻力的作用下弓網(wǎng)振動無法避免，弓網(wǎng)振動將引起拉弧和弓網(wǎng)磨損。因此弓網(wǎng)振動是實現(xiàn)電氣化公路需要解決的核心問題，而受電弓主動控制是解決這一問題的可行方案。在電氣化公路建設(shè)中僅靠材料的改進(jìn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需綜合利用電氣、算法和機械技術(shù)解決弓網(wǎng)電弧和滑板磨損問題，才可能達(dá)到良好的效果。