悬挂式空中列车受流器的结构设计

悬挂式空中列车受流器的结构设计摘要：中国南车青岛四方机车车辆股份有限公司与长春市万喜隆轨道客车装备有限公司合作，研制与开发一种机械式的侧部受流器，应用在悬挂式空中列车上。根据悬挂式空中列车受流器技术条件，完成悬挂车受流器的研制。介绍了受流器的主要技术参数、设计结构、关键点、注意事项等，对源动力弹簧和滑靴的接触压力进行设计计算。该受流器采用四连杆平动机构，具有较高的可靠性和稳定性，进行了样机的试制和实验，均能达到受流器的技术要求。该受流器结构紧凑、重量轻、性能良好、产品可靠。关键词：受流器平动机构滑靴接触压力中图分类号：U26文献标识码：A文章编号：1672-3791（2016）01（c）-0063-03中国城镇化建设的发展，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，钢铝符合接触轨（导电轨或三轨）供电系统具有使用寿命长、运营可靠、维修量少且便于管理等优点。因此，被越来越多的设计单位和用户所采用[1]。导电轨是在列车行走的两条路轨以外，还有一条带电的钢轨。列车的集电装置―受流器，与导电轨接触并滑行，从导电轨取电，把电力传输到列车上[2]。在全球范围内，根据受流器的滑靴和导电轨接触方式，常用的受流装置种类分为上部受流型受流器、下部受流型受流器、侧面受流型受流器、两轨中间受流型受流器等。在中国目前，受流器的滑靴和导电轨接触方式多数是上部接触和下部接触，简称为上部受流和下部受流。1侧部受流器的主要技术参数根据悬挂车受流器的技术要求，受流器采用机械式的结构，使用弹簧作为动力源零件，滑靴与导电轨采用侧面接触方式―侧部受流，使用绝缘底座与转向架连接。将电流从导电轨引到列车上，要求结构简单、紧凑、重量轻。具体的参数如下。额定工作电压：DC750V（满足GB/T10411-2005）；工作电压范围：DC500V～DC900V；静态额定电流：200A；动态额定电流：600A；设计运行速度：55km/h；静态接触压力：（120±24）N；收缩位高度：143mm；最小工作高度：150mm；正常工作高度：185mm；最大工作高度：210mm；最大伸展高度：230mm；电气间隙：≥30mm；爬电距离：≥35mm；总质量：≤20kg。2侧部受流器结构设计悬挂车受流器的滑靴与导电轨侧面接触，导电轨侧立安装，不易在导电轨摩擦面上积攒尘土、雨雪等杂物，导电轨和滑靴由杂质引起的颗粒磨损和电弧烧蚀磨损要小。受流器通过岔道时可以通过左右鱼尾板平滑过渡，从而达到平稳受流的目的[3]。受流器的三维结构如图1所示。受流器的绝缘底座通过4个M12螺栓与转向架相连接，在绝缘底座内安装绝缘板，保证受流器与转向架之间的绝缘安全性。（1）四连杆机构。四连杆机构主要由支架、主动杆、从动杆、滑靴组件组成，组成平行四边形机构，保证滑靴的水平向上移动，使滑靴与导电轨充分接触，避免滑靴的摆动，达到受流器受流平稳的目的。支架是一个框架结构，安装在绝缘板上，主动杆和从动杆的旋转销轴安装在支架上，保证旋转销轴的平行度。四连杆机构的主动杆端部通过连接板与弹簧相连接，主动杆的旋转力矩来源于弹簧的拉力。（2）弹簧的组件。弹簧一端固定在拉簧支撑座上，拉簧支撑座安装在绝缘板上，弹簧的另一端连接在主动杆的连接板上。弹簧的拉力与力臂的乘积构成旋转力矩，该力矩是主动杆旋转的驱动力矩，实现受流器的滑靴与导电轨的贴合功能。固定一端的弹簧安装有调节弹簧拉力的调节螺杆，通过旋转调节螺杆，可以控制弹簧拉力的大小，保证滑靴与导电轨直接保持有一定的压力，并且在规定范围内进行调整。（3）滑靴组件的安装。滑靴组件由滑块、导电铜板、保护架、滑靴支撑等组成。滑块可以选用碳铜合金或铸铁，具有良好导电性、耐磨性、抗冲击性。导电铜板连接引流电缆，将滑靴从导电轨取到的电流传输出去。保护架具有缓冲作用，避免对滑块产生过大的冲击。滑靴支撑由主动杆驱动，保证一定的运动姿态。3受流器的设计计算（1）连杆机构计算。根据侧部受流器的安装空间，通过Catia软件的Sketch模块[4]，设计出四连杆各杆件的长度。在自由位状态下，侧部受流器的空间大小在404mm×184mm×230mm的空间范围内。使用Sketch模块中尺寸和位置未完全约束状态下，可以旋转主动杆，过约束也可以标注尺寸，设计出滑靴在最低工作位150mm、正常工作位185mm、最高工作位210mm、以及自由位为230mm位置时，主动杆转动的角度和扫略出的空间位置。以收缩位为零位，则相对位置分别为7mm、42mm、67mm、87mm，以自由位230mm为例，主动杆旋转的角度为32.939°，如图2所示。通过图形解析计算，主动杆在4个位置的旋转角度分别为2.507°、15.218°、24.756°、32.939°。（2）弹簧计算。在侧部受流器整个工作过程中，产生驱动力和滑靴压力的主要零件―弹簧，具有非常重要的作用，对弹簧进行设计计算和滑靴压力实验，验证计算的可行性。首先要确定侧部受流器在正常工作位置185mm时，滑靴与导电轨之间产生120N的压力时，弹簧产生的拉力应该是多少牛顿。机构受力简图如图3所示。G1+N：G1为滑靴组件重量，N为滑靴与导电轨压力；G2：主动杆重量；G3：从动杆重量；F：弹簧的拉力；L4：G1+N力的力臂；L3：从动杆重量的力臂；L2：主动杆重量的力臂；L1：弹簧拉力力臂。使用该弹簧，与图3相似，当受流器处在最低工作位置150mm时，计算得出滑靴与导电轨产生的压力为113.05N，当受流器处在最高工作位置210mm时，计算得出滑靴与导电轨产生的压力为125.53N。经过计算，使用该弹簧，滑靴与导电轨的压力在给定的压力（120±24）N范围之内，弹簧满足设计要求。受流器样机制造出来后，使用测力传感器，对滑靴的压力进行了实验验证，如图4所示。4结语自主研发的悬挂车受流器，经过计算和例行实验，满足悬挂车的技术规范要求，性能良好，结构紧凑。悬挂车受流器设计的完成，为悬挂车成功提供了有力的保障，为交通拥挤城市的交通运行提供了保证，达到了低碳、绿色出行。对受流器的国产化和简单化提供了尝试。参考文献[1]王振全，李相泉.分体式受流器的结构和性能分析[J].铁道标准设计，2011（1）：125-127.[2]张彦华，刘亚杰，罗铁钢.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（2）：59-61.[3]李宁，陈革.常导中低速磁悬浮列车受流方式选择及受流器结构设计[J].电力机车与城轨车辆，2007（3）：14-19.[4]潘志刚，朱玉祥，潘子健.CATIAV5R21实用基础教程[M].北京：科学技术出社，2015：26-42.[5]成大先，王德夫，姬奎生.机械设计手册[M].5版.北京：化学工业出社，2008.