地鐵受流器環形實驗臺的整體技術設計

王立哲

摘 要：隨著大城市地面交通日益擁擠，地鐵越來越受到中國大中小城市的青睞。本文針對當前國內受流器動態特性研究欠缺的情況，提出了研究受流器動態特性的環形實驗臺的整體設計、各組成部分詳細的技術參數設計，并驗證該設計合理性。該設計可以為受流器動態特性的研究提供一定的技術參考。

關鍵詞：地鐵 ；受流器；環形實驗臺；技術設計

以地鐵為主體的城市軌道交通設施，由于其1）節約土地、降噪；2）減少地面交通干擾，節約運營時間；3）節能環保的優點，愈加備受城市管理者和普通市民的青睞[ 1 ]。隨著國內城市軌道交通的大規模建設，第三軌受流器在城軌車輛上的應用越來越廣泛。第三軌受流器就是一種集電裝置，它在地鐵線路的帶電路軌上接觸并滑行，從而把電力傳到列車上。第三軌供電在全球許多國家很早就有運用，目前在我國的地鐵車輛上也廣為使用[ 2 ]。

與受流器在國內的廣泛運用形成對比的是我國關于受流器研究還尚處于相對滯后的狀態，由于缺乏用于檢測受流器和第三軌間動態交互作用的實驗臺，國內目前主要集中在受流器和第三軌靜態交互作用中壓力等數據的測量與研究[ 3 ]。因此本文針對用于研究受流器與第三軌間動態特性的受流器環形實驗臺提出相關方案及技術參數的設計，為今后國內受流器環形實驗臺的研發提供一個設計方案的參考。

1 受流器環形實驗臺整體方案設計

1.1 環形軌道方案

安裝在環形實驗臺上的環形軌道是依據BRECKNELL WILLIS公司設計的第三軌截面建立的。實驗臺的環形軌道采用輻條連接方式與傳動軸固定，這樣可以使鐵軌在有垂向振動的條件下仍然可以平穩繞著的傳動軸中心旋轉而不會產生偏移搖晃。傳動裝置的轉動帶動環形軌道旋轉，固定的受流器與軌道接觸并產生相對運動，即模擬受流器在列車運行過程中在第三軌上的滑動。

1.2 實驗臺傳動方案

基于齒輪傳動有：1）效率高；2）結構緊湊；3）工作可靠、壽命長；4）傳動比穩定等特點[ 7 ]。V帶傳動具有結構簡單、傳動平穩、價格低廉和緩沖吸振的特點。設計環形實驗臺機械傳動裝置選用V帶傳動和齒輪傳動。

1.3 受流器作動裝置方案

受流器作動裝置要仿真車輛運行過程中的垂向振動，作動器可以滿足這一設計要求。作動器是一種以液壓油為動力源的擺動機構，在生活中多種需要擺動機構的場合得到了廣泛的應用。本文選擇電液伺服作動器來模擬車體的垂向振動。電液伺服作動器通過對負載施加可控的推、拉等作用力，實現對負載的速度、方向、位移、力的控制。

2 受流器環形實驗臺技術設計

2.1 電動機技術設計

由于實驗臺進行工程實驗的過程中，其所在工作條件相比于安裝在地鐵車輛上工作的情況好很多，本文選用有著效率高、節能、堵轉轉矩高、噪音低、振動小、運行安全可靠特點的三相異步電動機（電壓380V，Y系列）。

2.2 環形軌道技術設計

綜合考慮實驗臺直徑對實驗效果、建造成本、占用空間等因素后，選擇實驗臺環形軌道模型直徑為3.5m。環形軌道型號是3000A軌，采用鋼鋁復合；軌道硬度：鋼帶硬度130～170 HB，符合的標準： DIN EN 10088-1。其尺寸與重量參數具體為：軌高—70mm；軌底寬—45mm，鋼帶有效接觸面寬≥60mm，重量≤15kg/m，環軌直徑—4m。

2.3 傳動機構總體技術設計

由電動機的選擇確定總傳動比為：12.166，V帶的傳動比范圍為i1=2～4，圓柱齒輪傳動傳動比范圍i2=3～5，而且在帶傳動和圓柱齒輪組成的傳動裝置中，應使帶傳動比小于齒輪傳動比。

選擇圓柱齒輪的傳動比i2=4，則i1=3.042，符合各自傳動比應符合的范圍，且滿足帶傳動比小于齒輪傳動比，即i帶高速軸（2.09kW）低速軸（2.007kW）實驗臺軸（1.987kW）；根據電動機軸的轉速及傳動比，利用n2=n1/i分別計算其余軸的轉速為：高速軸（466.798r/min）低速軸（116.7r/min）實驗臺軸（116.7r/min）；根據電動機軸轉矩，分別計算其余軸的轉矩為：高速軸（42.758N·m）低速軸（164.240N·m）實驗臺軸（162.60N·m）。

2.4 帶傳動技術設計

帶輪材料依據其工作條件及材料強度、成本的要求，選用灰鑄鐵，HT200；帶輪設計功率Pd由電機軸輸入功率與工作情況系數求得Pd=KAP=2.42kW；帶傳動類型根據設計功率及電機軸轉速取Z型V帶；考慮帶的彎曲應力及帶傳動有效拉力的影響，初選小帶輪基準直徑dd1=80mm>Z型小帶輪最小基準直徑，依據傳動比可知大帶輪基準直徑dd2=250mm；經校驗傳動比誤差為3.8%<5%，符合傳動比要求；帶速V=■=5.948m/s'，滿足5m/s