城市轨道交通第三轨供电系统集电靴的力学性能试验研究

尹洪权 薛海峰 张煜超 魏瑞霞(中国中车南京浦镇车辆有限公司,210031,南京∥第一作者,工程师)



城市轨道交通第三轨供电系统集电靴的力学性能试验研究

尹洪权 薛海峰 张煜超 魏瑞霞
(中国中车南京浦镇车辆有限公司,210031,南京∥第一作者,工程师)

摘 要城市轨道交通第三轨供电系统集电靴的安装不仅关系着其自身设备的安全性,还影响城市轨道交通列车的供电质量,介绍了集电靴力学性能试验的传动和测试原理,确定了集电靴力学性能试验的方案。通过试验研究得到集电靴的静态刚度、等效阻尼等参数,为集电靴力学模型的建立、集电靴的设计与维修提供数据资料。

关键词集电靴;力学性能;压力传感器

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

随着城市轨道交通的大规模快速发展,集电靴与第三轨的应用也越来越广泛。第三轨供电是指在列车行走的两条轨道以外,再加上带电的钢轨,这条带电钢轨通常设于两轨间或其中一轨的外侧。列车的集电装置在带电钢轨上接触并滑行,并将电力传送到列车上,这种采用第三轨的集电装置称为集电靴[1]。集电靴的安装不仅关系着自身设备的安全性,还影响城市轨道列车的供电质量。集电靴的安装位置、安装方式、静态接触力的调整,是影响集电靴性能的关键因素。若集电靴的安装不到位、静态接触力调整不合理,很有可能影响集电靴与第三轨的受流质量,甚至在第三轨接头、道岔等,造成集电靴撞击,缩短集电靴的使用寿命,影响集电靴的安全运行。为保证集电靴与第三轨的良好受流,有必要研究集电靴的安装与调试技术。目前,针对集电靴与第三轨的动态相互作用研究较少,尤其针对集电靴的安装与调试技术研究尚未见相关文献报导,研究集电靴与第三轨的动态匹配性以及集电靴的安装技术已十分迫切。

本文通过集电靴的力学试验得到集电靴的静态刚度,建立集电靴的力学模型,为集电靴的设计与维修提供资料。

1　集电靴试验原理

1.1集电靴传动原理

集电靴是安装在电动列车转向架侧面,连接接触轨,为电动列车提供电源的电气设备。集电靴主要由带预拉弹簧、轴承、绝缘连接板、制动杆、滑板托架、滑板等零件组成,通过轴承将弹簧力传动给滑板,为滑板提供接触力。直流电不直接流过集电靴的机械部分,而是通过电连接线从滑板直接输送到列车牵引电机。集电靴的传动原理见图1。滑板托架、绝缘连接板为同一结构体,视为一悬臂梁,见图1a)中的悬臂部分;图1b)中弹簧通过弹簧轴一端与悬臂相连,忽略弹簧轴与悬臂的高差;悬臂通过制动杆固定滑板的最高位置,制动杆与悬臂视为一整体。弹簧有预拉力,通过轴承提供靴的接触力。所有连接部位都是线性刚度与阻尼,并忽略靴的非线性摩擦。滑板高度与靴接触力有直接关系,不同滑板高度,靴提供的接触力是不同的,要想改变滑板高度,需要克服弹簧的预拉力,即接触力大于某个阀值才能使滑板高度变化。制动杆限制了滑板的最高工作高度,高于该高度的接触轨将与集电靴分离。

1.2集电靴试验原理

由传动原理可知,为得到第三轨与集电靴的动态匹配性,需要计算弹簧的刚度,弹簧的刚度和弹簧轴、滑板与轴承距离比、制动悬臂角度等因素有关。本试验通过在滑板上加载不同静态力F,通过图像识别技术实时获取集电靴滑板的位置变化(见图2)。该测量系统由硬件部分与软件部分组成。硬件部分包括标记点、图像采集设备、图像处理及显示平台,其中图像采集设备包括光学镜头、模数转换器等;软件部分是标定程序、图像跟踪程序、数据储存与调用程序。

图1　集电靴的传动原理

图2　基于图像识别技术的位移测量原理图

通过在集电靴滑板上涂试标记,工业相机实时记录标记的垂向位移,位移数据输入到计算机,然后再通过软件调用计算机上的数据,此即为集电靴力学性能试验方案。工业相机记录图像试验方案如图3所示。

该试验通过增减砝码来控制集电靴所加载的固定荷载,荷载会使集电靴在垂直方向上产生相应的位移。为了保证集电靴不在水平方向上产生位移,需将集电靴进行工装处理。

根据试验测量得到集电靴悬臂部分的长度l(单位为m);相机记录集电靴滑板从A(x1,y1)移动到B (x2,y2)的垂直方向上的位移(y2-y1)(单位为m);从而得到集电靴滑板在发生位移时转过的角度Δθ(单位为rad)。由这些参数可以得到弹簧的刚度计算公式k=Fl/Δθ,(单位为N·m/rad)。

在测量这些参数时,摩擦力会阻碍集电靴滑板的位移变化,会影响各参数的测量数据,需计算出摩擦力的大小。本试验中摩擦力的大小等于对集电靴滑板分别向上和向下发生位移时计算的摩擦力大小的平均值。这些测试和计算得到的关键参数为建立满足集电靴传动原理的有限元模型提供了资料。

图3　集电靴力学性能试验图

2　集电靴力学性能试验

对集电靴进行工装后,在集电靴滑板上做工业相机可识别的标记点,将压力传感器的一端安装固定,数据线连接到采集卡上,采集卡的数据线再连接到计算机上,按照图3依次连接起来;分别加载不同数量砝码,测量集电靴滑板从0～200 mm对应的变化位移;测量集电靴悬臂部分尺寸、拆卸悬臂称重;测量集电靴弹簧的等效阻尼;测试完成,拆卸工装,恢复集电靴。

依次使集电靴滑板上加载的质量为:12 kg、13 kg、14 kg、15 kg、16 kg、17 kg、18 kg,记录从计算机中读出其在竖直方向的位移;然后再依次从集电靴滑板卸载砝码,并记录从计算机中读出其在竖直方向上的位移,见表1。重复上述试验,得到其在竖直方向的位移,见表2。

表1　第一次试验时集电靴滑板在竖直方向的位移

表2　第二次试验时集电靴滑板在竖直方向的位移

3　数据分析

由表1、表2中的加载和卸载时的位移变化量数据可以分别计算出两次试验时集电靴弹簧的刚度和等效阻尼,计算结果分别见表3和表4。

表3　两次试验时集电靴弹簧的刚度　N·m/rad

表4　两次试验时集电靴弹簧的等效阻尼　N·m

做试验时以加载12 kg的砝码为参考点的,故将12 kg所对应的刚度可以看做为零。

两次试验计算出的弹簧的刚度随加载的质量变化曲线见图4。

图4　两次试验时集电靴弹簧刚度随加载质量的变化曲线

两次试验计算出的弹簧等效阻尼随加载质量的变化曲线见图5。

图5　弹簧的等效阻尼随加载质量的变化曲线

图6为两次加载试验时相应的位移变化量随加载质量变化的对比曲线。

图7为两次卸载试验时相应的位移变化量随加载质量变化的对比曲线。

图6　两次加载试验时相应的位移变化量随加载质量变化的对比曲线

图7　两次卸载试验时相应的位移变化量随加载重量变化的对比曲线

由图6和图7可以看出两次的加载试验和卸载试验的曲线差异较小,走向趋势基本一致,说明该试验的可操作性和可行性都很高,可重复试验。

4　结语

通过集电靴力学性能试验数据处理可以得到试验时集电靴弹簧的刚度和等效阻尼,因为弹簧的刚度和等效阻尼一般不会发生变化,所以该试验结果取其平均值。

通过计算得到集电靴弹簧的刚度为0.84 N· m/rad,集电靴弹簧的等效阻尼为2.16 N·m。通过集电靴的力学试验得到的关键参数,为后续集电靴的力学模型的建立、集电靴的设计与维修、线路试验的操作提供了数据资料。

参考文献

[1] 张彦华,刘亚杰,罗铁刚.城轨车辆用第三轨受流器试验台的研制[J].电力机车与城轨车辆,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

中图分类号TM 922.6