尹洪權(quán) 薛海峰 張煜超 魏瑞霞(中國中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,210031,南京∥第一作者,工程師)

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城市軌道交通第三軌供電系統(tǒng)集電靴的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

尹洪權(quán) 薛海峰 張煜超 魏瑞霞
(中國中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,210031,南京∥第一作者,工程師)

摘 要城市軌道交通第三軌供電系統(tǒng)集電靴的安裝不僅關(guān)系著其自身設(shè)備的安全性,還影響城市軌道交通列車的供電質(zhì)量,介紹了集電靴力學(xué)性能試驗(yàn)的傳動和測試原理,確定了集電靴力學(xué)性能試驗(yàn)的方案。通過試驗(yàn)研究得到集電靴的靜態(tài)剛度、等效阻尼等參數(shù),為集電靴力學(xué)模型的建立、集電靴的設(shè)計與維修提供數(shù)據(jù)資料。

關(guān)鍵詞集電靴;力學(xué)性能;壓力傳感器

Author′s address CRRC Nanjing Puzhen Co.,Ltd.,210031, Nanjing,China

隨著城市軌道交通的大規(guī)?？焖侔l(fā)展,集電靴與第三軌的應(yīng)用也越來越廣泛。第三軌供電是指在列車行走的兩條軌道以外,再加上帶電的鋼軌,這條帶電鋼軌通常設(shè)于兩軌間或其中一軌的外側(cè)。列車的集電裝置在帶電鋼軌上接觸并滑行,并將電力傳送到列車上,這種采用第三軌的集電裝置稱為集電靴[1]。集電靴的安裝不僅關(guān)系著自身設(shè)備的安全性,還影響城市軌道列車的供電質(zhì)量。集電靴的安裝位置、安裝方式、靜態(tài)接觸力的調(diào)整,是影響集電靴性能的關(guān)鍵因素。若集電靴的安裝不到位、靜態(tài)接觸力調(diào)整不合理,很有可能影響集電靴與第三軌的受流質(zhì)量,甚至在第三軌接頭、道岔等,造成集電靴撞擊,縮短集電靴的使用壽命,影響集電靴的安全運(yùn)行。為保證集電靴與第三軌的良好受流,有必要研究集電靴的安裝與調(diào)試技術(shù)。目前,針對集電靴與第三軌的動態(tài)相互作用研究較少,尤其針對集電靴的安裝與調(diào)試技術(shù)研究尚未見相關(guān)文獻(xiàn)報導(dǎo),研究集電靴與第三軌的動態(tài)匹配性以及集電靴的安裝技術(shù)已十分迫切。

本文通過集電靴的力學(xué)試驗(yàn)得到集電靴的靜態(tài)剛度,建立集電靴的力學(xué)模型,為集電靴的設(shè)計與維修提供資料。

1　集電靴試驗(yàn)原理

1.1集電靴傳動原理

集電靴是安裝在電動列車轉(zhuǎn)向架側(cè)面,連接接觸軌,為電動列車提供電源的電氣設(shè)備。集電靴主要由帶預(yù)拉彈簧、軸承、絕緣連接板、制動桿、滑板托架、滑板等零件組成,通過軸承將彈簧力傳動給滑板,為滑板提供接觸力。直流電不直接流過集電靴的機(jī)械部分,而是通過電連接線從滑板直接輸送到列車牽引電機(jī)。集電靴的傳動原理見圖1?；逋屑?、絕緣連接板為同一結(jié)構(gòu)體,視為一懸臂梁,見圖1a)中的懸臂部分;圖1b)中彈簧通過彈簧軸一端與懸臂相連,忽略彈簧軸與懸臂的高差;懸臂通過制動桿固定滑板的最高位置,制動桿與懸臂視為一整體。彈簧有預(yù)拉力,通過軸承提供靴的接觸力。所有連接部位都是線性剛度與阻尼,并忽略靴的非線性摩擦。滑板高度與靴接觸力有直接關(guān)系,不同滑板高度,靴提供的接觸力是不同的,要想改變滑板高度,需要克服彈簧的預(yù)拉力,即接觸力大于某個閥值才能使滑板高度變化。制動桿限制了滑板的最高工作高度,高于該高度的接觸軌將與集電靴分離。

1.2集電靴試驗(yàn)原理

由傳動原理可知,為得到第三軌與集電靴的動態(tài)匹配性,需要計算彈簧的剛度,彈簧的剛度和彈簧軸、滑板與軸承距離比、制動懸臂角度等因素有關(guān)。本試驗(yàn)通過在滑板上加載不同靜態(tài)力F,通過圖像識別技術(shù)實(shí)時獲取集電靴滑板的位置變化(見圖2)。該測量系統(tǒng)由硬件部分與軟件部分組成。硬件部分包括標(biāo)記點(diǎn)、圖像采集設(shè)備、圖像處理及顯示平臺,其中圖像采集設(shè)備包括光學(xué)鏡頭、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等;軟件部分是標(biāo)定程序、圖像跟蹤程序、數(shù)據(jù)儲存與調(diào)用程序。

圖1　集電靴的傳動原理

圖2　基于圖像識別技術(shù)的位移測量原理圖

通過在集電靴滑板上涂試標(biāo)記,工業(yè)相機(jī)實(shí)時記錄標(biāo)記的垂向位移,位移數(shù)據(jù)輸入到計算機(jī),然后再通過軟件調(diào)用計算機(jī)上的數(shù)據(jù),此即為集電靴力學(xué)性能試驗(yàn)方案。工業(yè)相機(jī)記錄圖像試驗(yàn)方案如圖3所示。

該試驗(yàn)通過增減砝碼來控制集電靴所加載的固定荷載,荷載會使集電靴在垂直方向上產(chǎn)生相應(yīng)的位移。為了保證集電靴不在水平方向上產(chǎn)生位移,需將集電靴進(jìn)行工裝處理。

根據(jù)試驗(yàn)測量得到集電靴懸臂部分的長度l(單位為m);相機(jī)記錄集電靴滑板從A(x1,y1)移動到B (x2,y2)的垂直方向上的位移(y2-y1)(單位為m);從而得到集電靴滑板在發(fā)生位移時轉(zhuǎn)過的角度Δθ(單位為rad)。由這些參數(shù)可以得到彈簧的剛度計算公式k=Fl/Δθ,(單位為N·m/rad)。

在測量這些參數(shù)時,摩擦力會阻礙集電靴滑板的位移變化,會影響各參數(shù)的測量數(shù)據(jù),需計算出摩擦力的大小。本試驗(yàn)中摩擦力的大小等于對集電靴滑板分別向上和向下發(fā)生位移時計算的摩擦力大小的平均值。這些測試和計算得到的關(guān)鍵參數(shù)為建立滿足集電靴傳動原理的有限元模型提供了資料。

圖3　集電靴力學(xué)性能試驗(yàn)圖

2　集電靴力學(xué)性能試驗(yàn)

對集電靴進(jìn)行工裝后,在集電靴滑板上做工業(yè)相機(jī)可識別的標(biāo)記點(diǎn),將壓力傳感器的一端安裝固定,數(shù)據(jù)線連接到采集卡上,采集卡的數(shù)據(jù)線再連接到計算機(jī)上,按照圖3依次連接起來;分別加載不同數(shù)量砝碼,測量集電靴滑板從0～200 mm對應(yīng)的變化位移;測量集電靴懸臂部分尺寸、拆卸懸臂稱重;測量集電靴彈簧的等效阻尼;測試完成,拆卸工裝,恢復(fù)集電靴。

依次使集電靴滑板上加載的質(zhì)量為:12 kg、13 kg、14 kg、15 kg、16 kg、17 kg、18 kg,記錄從計算機(jī)中讀出其在豎直方向的位移;然后再依次從集電靴滑板卸載砝碼,并記錄從計算機(jī)中讀出其在豎直方向上的位移,見表1。重復(fù)上述試驗(yàn),得到其在豎直方向的位移,見表2。

表1　第一次試驗(yàn)時集電靴滑板在豎直方向的位移

表2　第二次試驗(yàn)時集電靴滑板在豎直方向的位移

3　數(shù)據(jù)分析

由表1、表2中的加載和卸載時的位移變化量數(shù)據(jù)可以分別計算出兩次試驗(yàn)時集電靴彈簧的剛度和等效阻尼,計算結(jié)果分別見表3和表4。

表3　兩次試驗(yàn)時集電靴彈簧的剛度　N·m/rad

表4　兩次試驗(yàn)時集電靴彈簧的等效阻尼　N·m

做試驗(yàn)時以加載12 kg的砝碼為參考點(diǎn)的,故將12 kg所對應(yīng)的剛度可以看做為零。

兩次試驗(yàn)計算出的彈簧的剛度隨加載的質(zhì)量變化曲線見圖4。

圖4　兩次試驗(yàn)時集電靴彈簧剛度隨加載質(zhì)量的變化曲線

兩次試驗(yàn)計算出的彈簧等效阻尼隨加載質(zhì)量的變化曲線見圖5。

圖5　彈簧的等效阻尼隨加載質(zhì)量的變化曲線

圖6為兩次加載試驗(yàn)時相應(yīng)的位移變化量隨加載質(zhì)量變化的對比曲線。

圖7為兩次卸載試驗(yàn)時相應(yīng)的位移變化量隨加載質(zhì)量變化的對比曲線。

圖6　兩次加載試驗(yàn)時相應(yīng)的位移變化量隨加載質(zhì)量變化的對比曲線

圖7　兩次卸載試驗(yàn)時相應(yīng)的位移變化量隨加載重量變化的對比曲線

由圖6和圖7可以看出兩次的加載試驗(yàn)和卸載試驗(yàn)的曲線差異較小,走向趨勢基本一致,說明該試驗(yàn)的可操作性和可行性都很高,可重復(fù)試驗(yàn)。

4　結(jié)語

通過集電靴力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理可以得到試驗(yàn)時集電靴彈簧的剛度和等效阻尼,因?yàn)閺椈傻膭偠群偷刃ё枘嵋话悴粫l(fā)生變化,所以該試驗(yàn)結(jié)果取其平均值。

通過計算得到集電靴彈簧的剛度為0.84 N· m/rad,集電靴彈簧的等效阻尼為2.16 N·m。通過集電靴的力學(xué)試驗(yàn)得到的關(guān)鍵參數(shù),為后續(xù)集電靴的力學(xué)模型的建立、集電靴的設(shè)計與維修、線路試驗(yàn)的操作提供了數(shù)據(jù)資料。

參考文獻(xiàn)

[1] 張彥華,劉亞杰,羅鐵剛.城軌車輛用第三軌受流器試驗(yàn)臺的研制[J].電力機(jī)車與城軌車輛,2012,35(2):59.

Experimental Study on the Mechanical Properties of Collector Shoe in Third Rail Power Supply System

Yin Hongquan,Xue Haifeng,Zhang Yuchao,Wei Ruixia

AbstractThe installation of collector shoes in third rail power supply system is closely related to the safety of the equipment itself,and the power supply quality for urban rail transit.In this paper the transmission and testing principles of current shoe's mechanical property testing are introduced,and a scheme of mechanical property testing is determined.Parametersof current shoe are obtained by experimental study,which include static stiffness and equivalent damping,and provide information for the establishment of mechanical model,the design and maintenance of current shoe.

Key wordscurrent shoe;mechanical property;pressure senor

(收稿日期:2015-05-26)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.021

中圖分類號TM 922.6