新型直线电机驱动式地铁受电弓

新型直线电机驱动式地铁受电弓 技术与市场 技术研发 2013年第20卷第9期 陈明国，李 军，钱世勇，王秋红 (南车株洲电力机车有限公司电气设备分公司，湖南株洲412001) 摘 弹簧装置升弓，直线电机驱动克服升弓弹簧力矩实现降弓，采用蓄电池供电方式，无需供风风源。电机集成了升降弓限 位模块，当受电弓完全升弓到位时和降弓到位时，电机都能停转，保证了受电弓正常升降弓。关键词:地铁受电弓;技术 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 ;升弓弹簧;直线电机 Thenewtypeofmetropantographwithlinearmotor CHENMing,guo，LIJun，QIANShi,yong，WANGQiu,hong (ElectricEquipmentSubsidiary，CS, ZhuzhouElectricLocomotiveCo(，Ltd(，Zhuzhou412001，Hunan) Abstract:Introducesthetechnicalparameters，structure，workingprincipleanddesignfeaturesofthenewtypeofmetropanto-graphwit hlinearmotor(Thisnewtypepantographcanberaisedbyspringlifting,——————————————————————————————————————————————— device，andlowedbylinearmotortoovercomethetorqueofspringlifting,device， itadoptelectricpowerfromstoragebatterywithoutcompressedair(Thelinearmotorisequippedwithliftingandloweringunitwhichlimitstherotationofm otor，itensurestheliftingandlowingactionofpantograph(Keywords:pantograph;technicalparameters;springlifting,device;linearmotordoi:10(3969/j(issn(1006,8554(2013(09(0010 引言 目前，多数地铁与城轨车辆上采用的是气动驱动受电弓，分为气缸弹簧式和气囊式，这两种受电弓都要求车辆提供压缩空气供受电弓。气缸弹簧式受电弓采用一个含有压缩降弓弹簧的气缸和一组升弓拉伸弹簧来控制受电弓的升降。气囊式受电弓气囊充气时升弓，无气时靠自重降弓。 但一些城轨车辆和低地板车，为了节约车内设备空间，不因此需要开发一种应用蓄电池供电，采希望采用压缩机设备， 用直线电机驱动的城轨受电弓满足这一要求。1 受电弓主要技术参数标称电压:额定运行电流: 车辆静止时的最大电流:落弓高度(包括绝缘子):工作高度(落弓位置滑板面起):弓头长度: 标称静态接触压力:电机驱动电压:重量(包括绝缘子):2 受电弓设计 图1所示为单臂受电弓运动机构的几何关系，其主要部分是一个——————————————————————————————————————————————— 四杆机构。图中下臂杆AD是主动杆，对应的升弓角为α。弓头摆杆QF与竖直方向的夹角θ，即是衡量弓头摆动程度的参数，也就是我们要优化平衡杆的目标函数。图中有关各个设计变量如图1所示。对受电弓的优化设计也就是寻求这些设计变量的优化组合，以使受电弓达到最优工作性能的过程。 DC1500V 1500A460A?320mm 120mm,2050mm1700mm?10mm 120N DC24V、110V ?150kg 2.22(2(12(1 图1 CL3D渍EL, 茁酌 ec L2L6 兹L7 F L5 g y ——————————————————————————————————————————————— 琢 B b L1A xa 单臂受电弓结构示意图 弓头运动轨迹的优化设计Q点(弓头)的运动轨迹方程x=L2×cos(γ),L1×cos(α)y=L1×sin(α),L2×sin(γ) L3、其中γ是上框架上部DQ与水平方向的夹角，是L1、 L4、a、b、c和α的函数。因此，x、y都是L1、L2、L3、L4、a、b、c的函数。 根据新型受电弓的优化要求，弓头轨迹在MATLAB中仿真计算结果如图2所示。 升弓转矩及调整板的优化设计升弓转矩及调整板的要求 升弓转矩是随着升弓角度的变化而变化的，实际的升弓转矩是由弹簧提供的，由于弹簧力和转矩都是变化的，那么弹簧力的力臂也必须是变化的，这样弹簧力与力臂(体现在调整板尺寸上)恰当的匹配，才能得到所需要的升弓力矩。因此，调整板的设计与升弓转矩是有密切关系的。 1 技术研发 ——————————————————————————————————————————————— y23252119.75211914.50421709.25631504.00841298.76051093.512688 8.2647683.0168477.7689272.521 399.6104426.7612 x TECHNOLOGYANDMA,KET Vol(20，No(9，2013 是由铝合管和板材焊接而成，下臂杆是由碳钢管材组焊而成，导杆为铝合金棒，平衡杆为碳钢材料。各铰接处都装有滚动轴承，并采用金属软编织线进行短接，以防止电流对轴承的烧损，平衡杆的作用是保证弓头滑板面在受电弓整个工作高度范围内，始终保持水平状态。3(3 升弓弹簧装置 升弓弹簧装置主要包括钢丝绳组装、夹板、升弓弹簧、连接螺杆、契形垫。当在司机室内按下升弓按钮时，控制盒内继电器得电，直线电机反转，转轴收回，解除对下臂杆的约束。此时，升弓弹簧起作用收缩，产生拉力，拉拽下臂杆使其相对于底架发生转动，从而实现整个受电弓的升弓操作，并保证受电弓升起后与接触线之间的接触压力恒定。升弓弹簧装置结构如图5所示。 12 13 14 15 ——————————————————————————————————————————————— 16 图2MATLAB中的弓头运动轨迹优化结果 2(2(2式为: 升弓转矩与调整板的优化设计 设计调整板也就是为升弓弹簧匹配合适的力臂过程。公 MF=F×r 根据调整板的工艺结构要求，应与升弓转矩所匹配的力臂在结构上能实现为准，经过多次匹配仿真计算，最终优化的升弓转矩如图3所示。 1.19761.17441.15121.12791.10471.0815 0.313.316.319.3112.3115.3118.3121.3124.3127.3130.3133.3136.3139.3 1×106 12-钢丝绳组装;13,夹板;14,升弓弹簧;15,连接螺杆;16,锲形垫 图5升弓弹簧装置结构图 3(4弓头组装 弓头组装包括弓头和弓头悬挂。弓头是直接与接触导线 接触、受流的部件，其上安装有碳滑板。弓头悬挂采用橡胶弹簧元件结构。橡胶弹簧元件的一端与上框架中的转轴相连接，另一端与弓头上的滑板托架相连接，这种结构使滑板在机车运行方向上移动灵活，而且能够有效吸收各方向上的冲击，达到保护滑板与接触导线的——————————————————————————————————————————————— 目的。3(5 降弓装置 受电弓的降弓装置包括直线电机驱动降弓装置和手动软轴降弓装置。 直线电机驱动降弓装置左端通过绝缘子和底架组装连接，直线电机右端通过连接杆、绝缘子、橡胶缓冲块、隔离板组焊和支板绝缘子与下臂杆铰接。直线电机采用蓄电池供电方式，无需供风风源，当升弓继电器得电时电机正转，克服升弓弹簧力矩，实现降弓，当降弓继电器得电时电机反转，转轴收回，拉动活动支板，解除对下臂杆的约束，此时，升弓弹簧起作用实现升弓。电机集成了升降弓限位模块，当受电弓完全升弓到位时和电机都能停转，保证了受电弓正常升降弓。直线降弓到位时， 电机驱动降弓装置结构如图6所示。 下臂杆 图3MATLAB中的升弓转矩优化结果 3受电弓结构设计 驱动机构采用两组升弓弹簧实现升弓，一个直线电机驱动构， 降弓装置实现降弓，弓头采用适应于大电流及刚性接触网下运用的结构。受电弓的外形及结构见图4。 11 10 9 ——————————————————————————————————————————————— 8 1234567 1,底架组装 2,下臂杆组装3,上框架组装4,拉杆组装 5,升弓弹簧装置6,平衡杆组装7,弓头组装 8,直线电机驱动降弓装置9,控制盒 10,绝缘子组装 11,手动软轴降弓装置 图4受电弓外形及结构图 3(1底架 底架由5根矩形无缝钢管组焊而成。底架组装上安装有 弓头支撑弹簧，当受电弓处于降弓位置时，起支撑弓头作用。底架组装上装有3个橡胶止挡，当受电弓降弓时，橡胶止挡起缓冲作用，避免铰链机构同底架刚性接触，从而保护受电弓。四孔导流板连接电缆把电流传送到车辆内部供车辆使用。3(2 铰链系统 铰链系统是实现弓头升降运动的机构，包括有上框架、下臂杆、导杆、平衡杆装置等，它们通过各种铰链座铰接。上框架 17 18 19 20 ——————————————————————————————————————————————— 21 2223 24 2526 272829 17,绝缘子;18,安装板组焊;19,连接件;20,盖板;21,安装块;22,安 装台组焊;23,电机;24,防尘套;25,卡箍;26,绝缘子;27,橡胶缓冲块;28,隔离板组焊;29,活动支板 图6直线电机驱动降弓装置 2 技术与市场 技术研发 起到自锁的作用。5 技术性能 况和要求进行了优化设计，实现了技术再创新，该受电弓具有以下优点: 1)只需DC110V电源，无需专门的供风风源，即城轨车辆及低地板车不需要专用压缩机，也不需要脚踏泵和电动升弓节约了车辆设备安装空间。泵， 2)直线电机驱动降弓装置集成了升降弓限位块、橡胶缓冲 BNO ——————————————————————————————————————————————— 受电弓在降 弓位置信号 2013年第20卷第9期 手动软轴降弓装置一端通过软轴连接器连接在直线电机驱动降弓装置上，一端通过车顶，再通过软轴连接器连接在车需要升弓时，可以内的手摇杆上。当车内蓄电池电源无电时， 转轴收回，拉动活动的支板通过转动手摇杆使直线电机反转， 解除对下臂杆的约束，此时升弓弹簧起作用实现升弓，受电弓与接触网接触集取电流供车辆使用。手动软轴降弓装置直接通过直线电机驱动降弓装置两与直线电机驱动降弓装置连接，端的绝缘子与车顶高压相隔离。4 工作原理 新型直线电机驱动式受电弓的升降动作主要通过直线电机进行控制。其电路控制接线原理图见图7。 受电弓在升 弓位置信号 ACD NCNCNO 块和绝缘子，用来保证受电弓升降弓正常操作。6 结语 新型直线电机驱动式受电弓在消化吸收国外先进技术的基础上，广泛总结、借鉴国内地铁受电弓的运行经验，对部分零 ——————————————————————————————————————————————— 控制盒 受电弓降弓按钮受电弓升弓按钮 降弓装置采用直线电机驱动方式，用以部件进行了结构优化， 满足了无需风源的特殊要求，提高了受替代传统的传动风缸，电弓运用的安全性和可靠性。 保护软管 同时，新型直线电机驱动式受电弓在北京铁道部产品质量监督检验中心通过了一般试验、静态接触压力测量、升降系统检查、弓头自由度、落弓保持力、横向刚度测量、抗冲击试验、温升试验、耐久性试验、绝缘性能等所有标准规定试验项点的型式试验，验证了新型直线电机驱动式受电弓设计和性能符合当前地铁受电弓运用技术标准，完全满足用户的使用要求。参考文献: ,1,安孝廉(受电器,M,(北京:中国铁道出版社，1984(,2,刘惟信(机械最优化设计,M,(北京:清华大学出版社， 1993(238,242( ,3,陈明国，许晓勤，李军，等(城市轨道交通车辆单臂受电弓 (城市轨道交通研究，结构参数的优化设计与验证,J,2009(11)( ,4,GB21561(2,2008，轨道交通机车车辆受电弓特性和试 S,(验第2部分:地铁与轻轨车辆受电弓,作者简介: 2001年毕业于北京交通大学机械工陈明国，高级工程师，长期从事受流电器设计开发工作。程及自动化专业， ——————————————————————————————————————————————— 升弓机构 降弓开关(动作) 升弓开关(动作) 图7受电弓控制接线原理 K1继电器A1、受电弓工作原理:在司机室按下降弓按钮， A2线圈得电，K1继电器13、14点闭合，A2此时K2继电器A1、K2继电器的1、2、3、4、5、6点闭合，线圈得电，这样K1、直线电机此时就通过K1和K2继电器导通，此时直线电机正传，转轴S3传感器导通，K3推出，受电弓降弓。在受电弓降弓到位时，A2线圈得电，K3继电器21、22点断开，K1、K2继电继电器A1、 A2线圈失电，K2继电器的1、2、3、4、5、6点断器A1、这样K1、开，直线电机停转。 K4继电器A1、A2在受电弓在降在司机室按下升弓按钮， K2继电器的21、22点断开，K5继电器线圈弓过程中，这样K4、K5继电器的21、22点断开，就无法得电;同样在升弓过程中， K2继电器线圈就无法得电。因此在降弓过程中，这样K1、按下升弓按钮不起作用，反之在升弓过程中，按下降弓按钮也不起作用，这样就能避免同时按下升降弓按钮断路现象的发生， 3 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