跨座式單軌車輛受流器設計

劉麗娜，周仁旭

（中車浦鎮阿爾斯通運輸系統有限公司，安徽 蕪湖 241006）

1 車輛受流器的配置

每輛車輛配置兩組供電受流器，每組供電受流器包括一套正極受流器和一套負極受流器[1]。每套受流器由兩個碳滑板組成，通過動力電纜分別連接車輛供電系統的正極和負極，其中上部碳滑板連接負極電纜，下部碳滑板連接正極電纜，兩套受流器對稱布置在車身兩側，通過與750 V 正極供電軌和0 V 回流軌耦合形成回路[2]。

與地鐵車輛的第三軌受流方式有所不同，跨坐式單軌車輛的正極供電軌和回流軌分別安裝在導梁兩側，安裝垂直方向設計了安裝高度差，使得兩根供電軌分別與對應的受流器碳滑板接觸，受流器與供電軌耦合后，供電軌電流依次通過碳滑板、不銹鋼托架、動力電纜、熔斷器、輸出電纜，進入車輛牽引及輔助供電系統。這種安裝方式可以滿足受流器的互換性，同時也可以在車輛折返運行時確保供電系統正常受流供電。

2 受流器的結構及工作原理

2.1 受流器的結構

受流器主體設計采用雙臂聯動式雙靴結構，兩根絕緣擺臂分別連接上、下兩個碳滑板，外部安裝絕緣蓋板進行加固，聯動機構可確保兩個碳滑板同步動作，通過兩根拉簧使受流器碳滑板在設定范圍的靜壓力下與供電軌始終保持接觸狀態，如圖1、2 所示。

圖1 受流器安裝

圖2 受流器結構

受流器的蓋板和擺臂采用SMC 復合材料，該材料具有良好的防水絕緣性能、機械性能、熱穩定性、耐化學防腐性等特點，采用非金屬材料同時也滿足了車輛輕量化設計理念。

受流器的碳滑板采用碳銅復合材料，具有較高的抗折強度、抗壓強度和沖擊韌性以及較低的電阻率，滿足受流器載流能力的同時具有較好的磨耗性能。碳滑板采用寬度68 mm 設計，滿足車輛各種運動工況下與供電軌的有效接觸范圍。磨耗面采用弧面設計，能夠適應震動、傾斜等動態條件下，碳滑板與供電軌平穩接觸，不會發生卡滯、偏磨、沖擊碰撞。

2.2 受流器的安裝

受流器直接安裝在轉向架構架安裝座上，因此碳滑板的垂向位置高度隨轉向架垂向運動而變化。

跨座式單軌車輛走行輪采用的是橡膠充氣輪胎，當車輛載重變化時輪胎壓縮量也隨之發生變化，同時車輛的運行速度、側向風、走行面狀態、通過曲線等因素也會引起輪胎彈跳或壓縮。車輛正常行駛時的胎面磨損。低胎壓或爆胎等因素都會導致轉向架高度發生變化，受流器的垂向位置隨之不斷改變，最終導致碳滑板與供電軌的接觸狀態不斷變化。受流器底座采用可調節的齒條板設計，底座通過4 顆螺栓安裝在轉向架構架上，根據車輛垂向運動分析，確定受流器的初始安裝位置，以滿足車輛不同運行工況下碳滑板與供電軌始終保持有效的動態接觸范圍，可確保電流持續穩定。

2.3 受流器的限位

當車輛通過道岔或洗車棚等無電區域時，供電軌末端通過連接一個小角度的楔形絕緣道岔過度到導梁表面，失去來自供電軌表面的反作用力支撐，受流器碳滑板在拉簧機構的作用下會繼續向導梁方向推進，超出車輛限界。因此，受流器安裝了3 個限位止擋，在滿足車輛橫向動態位移行程的前提下，通過旋轉調節限位止擋設置一個極限位置，當車輛進入無供電軌區域時，擺臂繼續推進直到彈性限位止擋在機構內部被壓縮到極限，擺臂的運動將被限制停止，碳滑板的橫向位移被限制在水平限界范圍內。

2.4 受流器的鎖定

車輛吊運過程，或者受流器進行維修更換碳滑板時，需要將擺臂拉回，使碳滑板脫離供電軌，受流器設計了鎖定機構以完成此操作。

手動操作向背離導梁方向拉動擺臂到最大限位并保持狀態（供電軌斷電操作），使碳滑板脫離供電軌表面，推進鎖緊手柄使其穿過絕緣蓋板后部的鉤頭，當墊片和插銷完全通過，緩緩放松拉開的擺臂直到手柄插銷與鉤頭內曲面接觸并抵住，此時受流器鎖定。解鎖受流器將擺臂再次拉開，拉出手柄使墊片和插銷離開鉤頭，緩緩釋放擺臂直到碳滑板回到工作位置。

3 受流器的電氣性能

作為整車的電力采集終端，受流器的電氣性能是否滿足車輛供電需求是評價產品設計的重要指標。根據車輛供電系統參數以及IEC 60077 標準中的相關要求對受流器進行電氣性能檢測。

3.1 絕緣電阻

受流器從供電軌取流后，電流通過高壓電纜傳輸到車輛供電系統，受流器本體的絕緣性能應符合表1的測試要求。

表1 絕緣電阻測試參數

3.2 沖擊耐壓

測試受流器在雷電過電壓、操作過電壓等沖擊電壓作用下的絕緣性能和保護性能，受流器按照表2 進行沖擊耐壓測試。耐壓測試后受流器的材料絕緣性能不得下降，復測受流器絕緣電阻符合表1 的要求。

表2 沖擊耐壓測試參數

3.3 振動沖擊

受流器安裝在轉向架構架上，其振動沖擊按照標準IEC 61373 中2 類轉向架安裝執行，包括功能性隨機振動試驗、模擬長壽命試驗和沖擊試驗。具體見表3、表4、表5。

表3 功能性隨機振動試驗

表4 耐久試驗

表5 沖擊試驗

3.4 溫升試驗

受流器在正常工作時，由于通過大電流導致元件發熱，自身的溫度升高，長時間在這種狀態下工作，可能會降低絕緣材料性能，從而導致設備電擊、燙傷或著火等危險，通過溫升試驗來檢測設備的電氣安全特性。

測試受流器接通額定電流300 A，系統達到熱穩定后施加600 A 峰值電流，持續時間20 s，測量電纜連接點溫升值應小于70 K。

3.5 熔斷器

每組受流器連接一個額定電流600 A 的熔斷器箱。按照每輛車兩組受流器的配置，當其中一組受流器發生故障不能供電的情況下，另一組受流器可以滿足整車的供電需求，此時熔斷器不觸發熔斷動作。熔斷器箱體帶有觀察視窗，用于觀察熔斷觸發情況。熔斷器箱體的防護等級為IP65，并設置有冷凝水出口，用于排出由于溫度變化而產生的冷凝水。

3.6 正線受流試驗

車輛正線測試需進行受流試驗，用離線火花檢測儀測定離線發生的地點和次數，統計分析燃弧時間和燃弧率，離線次數小于1 次/160 m，離線率不大于5%，一次最大離線時間不大于100 ms。測試和記錄受流器在運行過程中的橫向沖擊加速度小于300 m/s2。

4 受流器的機械性能

單軌車輛通常采用高架線路運行，受流器的機械性能需滿足在車輛運行環境和不同工況下的可靠性和穩定性要求。

4.1 高、低溫測試

車輛在不同項目運行，受流器設備需適應當地環境溫度和氣候特點，同時還要考慮車輛出入庫的溫差變化對受流器的影響。通過高、低溫測試，要求受流器設備滿足環境溫度變化下，機械性能穩定。

測試要求受流器分別在70 ℃和-25 ℃的試驗環境中靜置24 h 后，檢測受流器的零部件無損壞，機械功能正常，往復活動靈活，無卡滯或異響，受流器的電氣功能不受損傷。

4.2 疲勞壽命特性

車輛運行過程中，隨著車輛的橫向振動、垂向振動，以及通過曲線道路，受流器長期處于動態疲勞狀態，機械結構需滿足耐久性能測試。

受流器在試驗臺進行至少107次往復運動，以驗證整體的疲勞強度滿足車輛運行的要求，測試后緊固件扭矩無松動，機構活動靈活無卡滯或異響，碳滑板無擦傷或開裂，彈簧及主體結構件無損傷，電纜和端子無損傷。

4.3 碳滑板與供電軌的接觸靜壓力

碳滑板與供電軌的接觸靜壓力取決于彈簧剛度特性、碳滑板的水平位置和受流器機構的裝配公差。不穩定的接觸壓力易產生離線火花，影響車輛供電穩定性。受流器將接觸靜壓力范圍設置在120 ～ 180 N之間，碳滑板處在正常工作位的接觸靜壓力值為150 N，可以確保碳滑板與供電軌接觸良好，穩定取流供電，同時在不損傷供電軌表面剛度的前提下，碳滑板能達到最大的磨耗壽命。

4.4 耐腐蝕性

受流器安裝在車下，屬于車輛外部安裝設備，在車輛運行過程中會接觸到環境中的雨水、酸堿、油污、塵土等污染物，為防止部件被環境侵蝕損傷機械結構，部件材料應采取一定的防腐措施保護設備不受腐蝕侵害。安裝背板、碳滑板托架等金屬部件采用耐腐蝕材料并做好表面防腐處理。非金屬部件滿足絕緣性能和防火性能的前提下，應具備一定的抗氧化、耐腐蝕特性。

5 結語

跨座式單軌車輛采用橡膠車輪實現車輛減震、降噪效果的同時也帶來了新的問題，充氣橡膠輪胎的壓縮變形伴隨著轉向架的垂向高度變化，使得受流器碳滑板與供電軌的耦合面發生相對位移。但是采用側部受流的方式能夠確保碳滑板與供電軌始終保持有效接觸和受流，給車輛系統穩定供電。