一種礦井無軌運輸受電弓裝置的研究與應用

樊 桃

(中國鐵建電氣化局集團有限公司 北京 100043)

1 前言

在電氣化鐵路中，受電弓的作用是將電能安全可靠地傳輸到機車電動牽引裝置上。受電弓安裝在機車或動車車頂上，一般由主架、臂、弓頭和傳動裝置等部件組成[1]。

接觸網與受電弓的相互作用決定供電可靠性和供電質量，其相互作用依賴于受電弓和接觸網的設計方案。接觸網及受電弓系統要求通過連續的電氣和機械接觸給牽引車輛供電，與此同時要使接觸線和滑板的磨耗保持盡可能低的程度。為了實現令人滿意的受流質量，滑板與接觸線間的接觸壓力、過渡電阻、接觸面積等因素應該遵循標準要求。

受電弓和接觸網相互作用的基本要求是：由于受電弓在運行中相對于接觸網橫向運動，而受電弓弓頭總是超出接觸線最不利的位置，只有在運行中接觸線不離開受電弓弓頭的工作范圍才能使系統順利運行。

目前國鐵及地鐵的受電弓的應用研究比較成熟，受電弓主要由弓頭、框架、底架和傳動結構四部分組成，受電弓種類繁多，按傳動系統的工作方式可分為彈簧操作式和非彈簧操作式，按照臂桿的結構形式可分為單臂式和雙臂式。單臂弓和雙臂弓，均由滑板、上框架、下臂桿(雙臂弓用下框架)、底架、升弓彈簧、傳動氣缸、支持絕緣子等部件組成。其工作原理是將壓縮空氣經電空閥均勻進入傳動氣缸或將壓縮空氣經受電弓緩沖閥迅速排向大氣，使受電弓勻速上升或下降脫離接觸網。列車通過安裝在車身上方的受電弓沿接觸線滑動，從接觸網取流，列車運行時弓網耦合作用是決定列車安全穩定運行的重要因素之一。但是國鐵及地鐵均為有軌交通系統，其受電弓形式無法直接應用于無軌運輸供電系統上。

在高速鐵路及城市軌道交通的弓網接觸力以及驅動方式決定了跟隨性能[2-3]。無軌電車系統參數對系統的穩定性影響很大，且參數之間相互關聯[4]。受電弓動態特性主要為受電弓幅頻特性及其跟隨性，它與受電弓結構參數密切相關[5-7]。無軌電車弓頂雙導電滑板在一定的高度范圍內能夠隨網始終保持平面接觸、平行滑動，以保證弓和網之間緊密良好的電氣機械彈性接觸，從而穩定地連續受電[8]。

針對礦井內無軌運輸供電系統中接觸網的結構及環境的特殊性，本文提出了與三軌式接觸網相匹配的受電弓裝置，并通過液壓和電控方式實現動態跟蹤、協調控制，保證了受電弓取流穩定性和良好的弓網跟隨性。

2 結構組成

剛性架空接觸網對隧道凈空要求相對較小，可節省土建費用[9]。針對礦井巷道的特點，無軌運輸供電系統的三軌式接觸網子系統結構如圖1所示，由正極軌、負極軌和接地軌通過橫向懸掛的支撐絕緣子安裝固定，形成一個穩定的倒三角型結構。

圖1 三軌式剛性接觸網結構

為了適應無軌運輸供電系統的礦井地面凹凸起伏特點以及更好地匹配上述結構形式的接觸網，降低離線率，保證受電弓的跟隨性，同時在綜合考慮無軌運輸供電系統的受電弓的導向以及受電弓與正極軌和負極軌平順接觸和取流，受電弓的結構以及控制方式就至關重要。

本文提出一種基于液壓彈簧復合動力系統，采用電控技術與液壓技術聯合控制的三極滑觸式受電弓裝置。其組成包括受電弓的弓頭、舉升機構、底座以及液壓和電控系統，如圖2所示。

圖2 受電弓裝置結構

2.1 受電弓弓頭

受電弓弓頭包括弓頭絕緣支架主體、受電碳刷組合、導軌輪組合、中心軸彈簧組合、彎板組合、軟銅排、接地刷組合，如圖3所示。

圖3 受電弓弓頭

(1)弓頭主體

絕緣支架主體作為受電弓弓頭的主體部件，由環氧樹脂絕緣材料沖壓成型，除了作為其他零件的安裝主體，還保證了電氣安全絕緣。絕緣材料制成的模具整體成型，其放射型的結構保證弓頭絕緣，增大弓頭的爬電距離。彈簧軸采用銅合金，兩端螺桿上安裝內彈簧、電纜、受電刷。上、下端蓋由不銹鋼制成，用于連接固定彈簧軸和本體，防止彈簧軸的左右擺動。內彈簧承受電刷組合的重力，其慣性小，動作快，補償及時，能快速消除軌道不平順引起的振動。

(2)受電刷組合

受電刷分為正極、負極，分別安裝在絕緣支架的兩側和彈簧軸上端，主要包括受電刷和導電銅板。受電刷由鋁青銅制成，具有高耐磨抗腐蝕性，表面平直光滑，保證與導軌接觸平滑，用于從接觸網上取電；導電銅板采用銅銀合金，其中部和左右兩側開有不同直徑的通孔，中部通孔利用螺釘與受電刷相連，左右兩側通孔與彈簧軸連接。受電刷下部增加編織銅帶跳線及電纜連接轉接板，作為車輛取電電纜的連接固定點。

(3)導軌輪組合

導軌輪組合安裝在弓頭前后兩端，主要包括導軌輪、輪支架、軸套和拉簧。導軌輪和輪支架都采用不銹鋼制成，導軌輪兩側帶凸緣，實現受電弓導向，抑制脫軌；輪支架上焊接螺栓與弓頭主體連接。拉簧安裝在導軌輪左右兩側，調整導軌輪位置，有利于升弓。導軌輪與接觸網的接地導向軌接觸，保證了受電弓弓頭時刻跟隨接觸導軌前進不左右偏離。

(4)彎板組合

彎板組合利用螺栓安裝在弓頭主體底部，主要包括彎板和接近開關。彎板采用不銹鋼，折彎成型，上端開孔用于安裝接近開關。接近開關選用電容式接近開關，檢測受電弓運行狀況。

(5)接地刷組合

接地刷組合利用銷軸安裝在彎板組合上，主要包括轉臂、接地刷、連接導線。轉臂由不銹鋼制成，隨彎板自由轉動，調整接地刷高度。接地刷采用鋁青銅，連接接地電纜，實現整車接地。

(6)中心軸彈簧組合

中心軸彈簧是為了讓受電弓弓頭對接觸網保持有一定的壓力，保證弓頭不脫軌。中心軸彈簧組合主要包括中心軸彈簧、中心軸、上端蓋和軸套。中心軸由不銹鋼焊接成型，上端連接弓頭主體，下端連接舉升機構；中心軸彈簧隨路面及凈空高度的變化而伸縮，快速消除振動，保證弓頭的跟隨性。

2.2 受電弓底座及舉升機構

受電弓底座主要包括底座主體、固定轉接座、鎖定機構、接近開關，如圖4所示。

圖4 受電弓底座

底座主體承接以上各部件及液壓系統、電控系統，下部與車輛連接。固定轉接座通過銷軸與回轉轉接座鉸接，安裝受電弓舉升機構。鎖定機構包括鎖定油缸和擋塊。鎖定機構在降弓到位后鎖定舉升機構，其驅動部分為雙作用油缸。接近開關檢測舉升機構是否降弓到位，當接近開關燈亮表示降弓到位，將信號反饋給電控系統。

受電弓舉升機構包括腕臂組合、舉升油缸、回轉油缸，如圖5所示。

圖5 受電弓舉升機構

腕臂組合如圖6所示，導電電纜用于傳輸電能；鎖定碰卡用于鎖定受電弓；圓形和方形桿在回轉油缸或舉升油缸的作用下實現轉動或抬升；水平拉線固定在受電弓弓頭上，其作用是保持受電弓弓頭平行于軌道；油缸連接板用于連接舉升油缸。

圖6 腕臂組合

舉升油缸如圖7所示。舉升油缸串聯壓縮彈簧，油缸伸出時，通過彈簧向接觸網施加壓力，保持滾輪對接地軌壓力。舉升油缸為雙作用油缸，行程181 mm，工作油壓20 MPa。油缸彈簧補償線路及軌道引起的導高長時間連續變化。

圖7 舉升油缸

回轉油缸為雙活塞桿油缸，驅動舉升機構實現回轉，如圖8所示。回轉油缸為中間絞軸式油缸，行程200 mm，工作油壓20 MPa。

圖8 回轉油缸

機械機構配合液壓系統能快速靈敏實現受電弓的舉升動作，保證弓頭的運動軌跡。

3 控制系統

傳動系統傳遞并實現對受電弓升降運動控制，控制機構控制受電弓的升降弓運動[10]。為了解決普通氣缸的受電弓動作速度易受負載變化產生振動，容易發生弓網離線甚至脫弓事故、影響取流效果的問題，提出基于液壓彈簧復合動力的電動控制受電弓裝置。

液壓技術傳動平穩、承載力大、易于實現過載保護[11]，而彈簧能快速反應線路和接觸網不平順引起的振動，保持弓網良好持續接觸。中心彈簧是為了讓受電弓弓頭對接觸網保持一定的壓力，保證弓頭不脫軌。通過液壓缸和彈簧的串聯保證受流良好，避免發生脫弓、脫網等事故，很好地解決了傳統氣動傳動受電弓裝置存在的問題。

其中液壓彈簧復合動力系統由舉升油缸、回轉油缸、鎖定油缸構成。舉升油缸中串聯一組彈簧，其作用是實現受電弓裝置的上下抬升動作和減振；回轉油缸控制受電弓左右回轉的動作。

液壓系統通過液壓閥組控制三個油缸動作，實現升弓、降弓、快速降弓、左轉、右轉、鎖定、解鎖、回轉鎖定等功能，液壓系統原理如圖9所示。

圖9 液壓原理

其中V1是電磁球閥，得電打開，失電關閉，液壓系統執行任何動作，首先V1得電。V1失電關閉時，關閉整個受電裝置液壓系統高壓油源，以保持車輛蓄能器液壓油量。

通過各種液壓電磁閥的配置，實現不同的動作和功能。通過控制閥V1、V2得電時升弓，閥V1、V3得電時降弓，閥V1、V3、V4得電時快速降弓，閥V1、V5、V6得電和閥V1、V5、V7得電時分別實現左轉和右轉，閥V1、V8得電和閥V1、V9得電時分別實現鎖定和解鎖，閥V1、V5得電時回轉鎖定，如表1所示。

表1 功能動作

液壓彈簧復合動力系統重量輕、體積小、運動慣性小、反應速度快。其三個液壓缸能實現抬升、回轉和鎖定動作，使受電弓操作控制更簡單，其緊急保護功能大大提高了人、車的安全系數。與彈簧的串聯系統，使受電弓能適應長時間、快頻率的振動，保證受電弓持續穩定接觸供電軌，降低了脫弓事故的風險，提高運行可靠性。該受電弓采用電控技術與液壓技術聯合控制，實現了更高程度的自動控制過程。

電控系統采用PLC控制，包含位置監測、通信、面板操作、繼電器動作等，如圖10所示。

圖10 電控系統

通過安裝在前后導向輪上的兩個接近開關來實現脫軌檢測，當兩個接近開關同時感應到導軌時，則“升弓到位”指示燈亮，當兩個接近開關檢測不到導軌時，則認為脫軌，系統自動啟動快速降弓程序。

采用安裝在底座回轉位置的接近開關，檢測升降和回轉角度進行左右極限檢測，判別車輛是否偏離軌道，若檢測到極限信號則系統啟動快速降弓程序。

4 結束語

將本文提出的受電弓裝置在模擬試驗段及某礦井輔運平硐供電系統中進行了弓網冷滑及熱滑試驗，在試驗期間，受電弓裝置對接觸軌的跟隨性良好，試驗電車受流穩定，接觸網系統零部件機械性能滿足電氣化鐵路接觸網零部件標準[12]，試驗工作取得圓滿成功。

本文提出的受電弓裝置是針對特殊的無軌運輸供電系統三軌式接觸網相適應的重要部件，在礦井巷道的試驗驗證了該裝置的機械性能和電氣性能的可靠性和穩定性。