分体式受流器的结构和性能分析

王振全,李相泉

(比威(天津)电气化系统有限责任公司, 天津 300400)

1 背景

随着我国城镇化进程的发展,中心城市快速扩张,以地铁和轻轨为代表的城市轨道交通被各大中城市列为重点建设项目。与架空接触网相比,钢铝复合接触轨(或称导电轨、三轨)供电系统具有使用寿命长、运营可靠、维修量少且容易、便于管理、电能损耗小和美观等优点,因此,被越来越多的设计单位和用户所采用。目前,我国地铁线路的运营速度以80 km/h为主,北京地铁昌平线、亦庄线的建设完成,反映了以北京、上海为代表的大型城市的轨道交通系统将逐渐向郊区延伸的发展趋势,设计运营速度也将逐步提高,向120 km/h及以上发展。此外,在接触轨供电系统电压制式方面,DC750V和DC1500V系统的绝对优劣还难以划分,处于市场共存状态。作为与接触轨配套的受流器,也将随之发展,因此有必要对受流器进行系统研究,以保证车辆供电和运行的可靠性。

2 受流器的功能和基本结构

受流器的功能是经由接触轨系统,把电力从地面配电站输送到地铁或轻轨车辆上。为了对车辆设备进行保护,受流器需要配置熔断器。按照受流器的功能要求,受流器的主体包括受流靴机构组合和熔断器组合,对于气动方式,受流器系统需要配置压缩空气调压装置。根据受流靴机构和熔断器的安装组合方式,市场上有2种基本的受流器系统结构,一种是二者共用壳体的结构,称为集成式；另一种是二者独立安装的结构,称之为分体式。本文重点讨论说明分体式受流器系统的特点和性能。

3 分体式受流器系统的安装

以比威公司的受流器为例,受流靴机构和熔断器箱是基本独立的,二者之间只有电缆连接。根据转向架的空间和位置条件,可灵活选择安装方式。通常情况下,受流靴机构和熔断器箱与转向架之间都设置接口板。为了满足车辆限界的要求,可以调整受流靴机构接口板的尺寸,而熔断器箱安装不受影响。若转向架安装空间允许,受流靴机构和熔断器箱可以共用一个接口板。在极端条件下,受转向架空间所限,可以为熔断器箱选择其他适当的安装位置。

4 分体式受流器滑靴的控制方式及其比较

受流器滑靴控制的任务有两个：一是控制滑靴与三轨的接触力；二是控制滑靴的起落。本文以接触轨下接触方式讨论受流器滑靴的控制问题。对于接触轨上接触方式,情况类似。

为了实现受流器的稳定可靠受流,避免意外脱离和电弧的产生,必需使受流器滑靴与接触轨的压力保持在合理的范围内。目前,接触力的控制主要有弹簧调节方式和气压调节方式。

4.1 弹簧调节方式

弹簧调节方式的特点是,滑靴升起后(即：处于与接触轨接触的位置),利用弹簧的弹性回复力使滑靴与接触轨保持一定的压力,压力的大小随滑靴的高度而变化。典型产品如图1所示。

图1 弹簧调节接触压力的受流器及熔断器

弹簧调节方式的受流器结构简单,滑靴与接触轨的接触压力计算公式为

F(N)=P0+K1(D-D0)

(1)

式中P0——滑靴在纵向中心位置时的接触压力；

K1——接触力与滑靴位移之间的比例系数；

D0——滑靴纵向中心位置的高度值(相对于走行轨轨面)；

D——滑靴实际高度值(相对于走行轨轨面)。

接触压力的特性曲线如图2所示。

图2 接触轨压力与接触高度关系曲线

对于弹簧调节接触力的受流靴,根据滑靴起落的控制方式,可分为手动和气动两种类型。

图3 弹簧调节-气动/手动落靴类型的受流器

手动类型是指用专用绝缘杆操作,使滑靴处于升起或收缩的状态。手动类型一般要设计闩锁装置,使滑靴能够借助绝缘杆,锁定在收缩位置。当需要滑靴升起时,可用同一绝缘杆使滑靴脱离闩锁状态。气动类型是指滑靴的起落通过气缸来控制。如图3所示。为了提高控制的可靠性,在气动的基础上,可以附加手动控制方式,以防压缩空气系统故障。

4.2 气压调节方式

气压调节方式的特点是滑靴机构带有气缸和气压调节阀,滑靴与接触轨的接触压力随供给气缸的气压而变化,借助气压调节阀,把供给气缸的气压保持在稳定水平,从而达到稳定接触压力的目的。配置气压调节阀以后,压缩空气的适应范围大,一般在300～1 000 kPa。气动施力方式的优点是,只要供应的空气压力在规定范围内,调压阀出气压力维持稳定,则滑靴与三轨的接触力能够维持在较小的波动范围内,这种受流器如图4所示。

图4 气压调节接触力类型的受流器

对于气压调节接触力类型受流器,滑靴接触压力计算公式为

F(N)=K2P-mg

(2)

式中K2——压力系数,主要由气缸的截面积决定；

P——供给气缸的空气压力值；

m——滑靴组合的动态质量；

g——重力加速度。

说明：气压调节方式的接触力原则上应该是气压作用力减去滑靴动态质量作用力,此处计算作了简化,仅以滑靴重力代替。

由上面接触压力公式可知,当气缸和滑靴组合的结构确定以后,接触压力随着调压阀输出空气压力线性变化。

在实际运营中,对于接触轨下接触的情况,受流器滑靴的位置状态有4个：一是与接触轨接触时的工作态；二是滑靴处在上截止位；三是滑靴处于闩锁位置,即：滑靴锁定在脱离三轨的预设位置；四是滑靴处于下截止位置。通过上述分析,受流器的控制方式可总结归纳为表1所示。

表1 受流器控制方式

4.3 控制方式对车辆运行速度的适应性

根据运动学理论,受流器影响列车运行速度的因素是接触压力。为了使滑靴在运行过程中避免意外脱离接触轨,在接触轨高度方向弯曲程度最严重的部分(曲率半径ρ最小),动态接触力不能为零,即：

对于弹簧调节的方式,由(1)式,就要确保

P0+K1(D-D0)≥mV2/ρ

(3)

对于气压调节的方式,由(2)式,就要确保

K2P-mg≥mV2/ρ

(4)

考虑到接触轨安装误差、走行轨及车轮的磨损,(3)式左边是变化的,在人工调整之前,随着车轮磨损,左边变小,在同样初始条件下,运行速度就要降低。从(4)式左边可知,左边的数值只受调压阀输出的压力影响,若调压阀输出压力不变,则车辆潜在最高运行速度不受车轮及走行轨磨损的影响。

实践调查数据表明,对于处于中低速的地铁或轻轨受流而言,这两种接触力调节方法都是能够满足运营要求的。根据英国比威公司的经验,三轨和受流器在匹配良好的条件下,可以跑出160 km/h的速度,在英国有超过1 000 km的三轨供电轨道交通线路运营速度高达160 km/h,约占全部三轨供电线路的23%(数据来源：比威公司工程统计)。

以上分析了三轨下接触类型的受流器结构,三轨上接触类型的受流器接触力有相似的弹簧调节和气动调节的方式,这里不再赘述。

5 受流器系统可靠性、安全性、可维护性比较分析

受流器工作的环境条件严酷。第一,由于受流器安装在车体外部,需长期经受温度、湿度、污染、雨雪等极端环境条件的考验。第二,因为接触轨表面并不是理想的光滑平面,所以受流靴在滑行过程中,受流器机构经受着振动的作用。第三,根据线路状况和电气隔离需要,沿接触轨线路还有一定数量的断点存在,每个断点处都要安装端部弯头,当滑靴与端部弯头接触的瞬间,存在一定程度的冲击。第四,受流器与车体和供电网相连接,需要确保良好的电气绝缘性能,以免危及供电系统和人身安全。

在这种工作环境条件下,受流器在材料选择、结构设计等方面都要受到严格的限制。分体式受流器的设计思想源于提高关键部件的可靠性,并尽可能实现结构简洁美观、低成本。受流机构和熔断器箱的功能不同,而受流机构不可避免地要承受振动和冲击的影响,振动对熔断器的正常工作不利。所以从布局设计考虑,可以强化受流机构的抗振动和冲击的能力,把熔断器箱进行独立安装,避开振动和冲击影响。这样设计的结构,减少了防范振动破坏的材料用量,同时,分体安装的形式减小了经受振动的结构质量,使结构部件承受的应力降低,有效减小了机械疲劳强度,因而延长了部件的使用年限。如图1和图3所示分体式受流器,受流器结构以及与转向架接口板都采用金属材料制作,可充分满足车辆设计使用寿命30年以上的要求,平均无故障时间等可靠性技术指标优越。

如图1和图3所示的分体式受流器,滑靴绝缘板具有弱连接结构,遭遇障碍物时,能够实现保护性断裂,避免对车辆造成损伤。在电气绝缘方面,采用优质绝缘材料和科学的规范设计,确保受流器在各种复杂环境条件下实现良好的电气绝缘性能。

在维护方面,因为分体式受流器独立安装,可独立拆卸,受流部分和熔断器部分关联少,因此,操作方便且容易,显著减少了维护所需时间。

6 分体式和集成式受流器的综合比较

目前在国内市场上集成式受流器和分体式受流器都有应用。比较而言,集成式受流器采用整体防护、整体接口,外观比较整洁,受流靴和熔断器之间的连接电缆比较短；分体式受流器安装灵活,可靠性较高。详细情况如表2所示。

表2 分体式和集成式受流器的主要性能比较

7 结语

随着大中型城市地铁建设事业的发展,钢铝复合接触轨的应用将日益普及，作为与其配套使用的三轨受流器也将获得发展。分体式受流器具有安装灵活方便,运行可靠,使用寿命长,维护方便等优势,可以为用户带来显著的价值,有望在未来地铁车辆上获得更广泛的应用。

参考文献：

[1]朱晓军,姜坚白,孙京健,等.钢铝复合轨试验线的研究[J].铁道标准设计,2007(10).

[2]GB50157—2003,地铁设计规范[S].

[3]EN50124-1-2001,Railway applications—Insulation coordination[S].