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某型有轨电车车辆受电器碳滑板使用寿命优化研究

摘要：储能式有轨电车使用储能元件来存储电能作为动力进行牵引，车辆通过安装在车顶的受电器与接触轨接触获取电流，具有绿色环保的优点。受电器的碳滑板为保证导电和机械性能，以铜为主要材质成分，车辆频繁地在站台充电加速了碳滑板的磨耗速率。本文介绍了有轨电车受电器碳滑板的使用寿命数据分析、优化方案和实施效果，重点分析了受电器滑板寿命的影响因素，提出了加厚滑板和180°旋转安装两种优化方案，通过受力分析和电气性能分析，能够在不影响性能的前提下，有效优化碳滑板使用寿命，从40000km提升到100000km以上，可以节约运营维护成本和更换碳滑板工作量。

随着储能元件的发展以及节能、环保等城市轨道交通发展理念不断提升，储能式有轨电车应运而生。储能式有轨电车使用储能元件来存储电能作为动力进行牵引，车辆通过安装在车顶的受电器与接触轨接触获取电流，利用车辆进出站以及乘客上下车的30s时间实现对储能装置的充电，具有绿色环保的优点。

本文以某型有轨电车车辆为研究对象，对受电器碳滑板的实际磨耗数据进行分析，制订优化方案，验证实施效果，有效优化碳滑板使用寿命，节约运营维护成本和更换碳滑板工作量。

1车辆概述

列车为4模块钢轮钢轨储能式有轨电车，三动一拖，车辆最高运行速度为70km/h，运行线路为地面及高架线路。

车辆配置一个小型受电器，受电器主要由绝缘子组装、底架组装、拉杆组装、下臂杆组装、上框架组装、平衡杆组装、弓头组装等组成，受电器的主体结构如图2所示。

受电器采用铰接的平行四边形结构，此平行四边形结构固定一条边垂直于车顶面，以此固定边端点为铰接点，在外界拉力的作用下，平行四边形一条边绕此铰接点转动，由于平行四边形相对边平行的性质，可以保证与固定边相对的边保持竖直状态上升，因此可以保证升降弓过程中，受电器弓头保持水平。

在弓头滑板通过弓头悬挂连接的下臂杆上，弓头受到网线的冲击作用，通过弓头悬挂中的弹簧组件得到缓解，延长弓网之间的碰撞事件，从而降低弓网之间的作用力，延长部件的疲劳寿命。

弓头悬挂分两部分，限位架与转轴铰接，限位架在平衡杆的控制下绕转轴进行转动，保证在升弓过程中角度不变。卷簧连接在限位架上，并被限制在限位架中，当卷簧受力时，可以上下运动，并可以进行扭转。

受电器的滑板与供电轨之间接触受电，考虑到进入充电时，受电器滑板与供电轨有比较大的碰撞力，因此选用导电性能良好的金属铜板作为滑板的材料，受电器接触滑板为10mm×100mm×420mm的铜板。

受电头是直接与供电轨接触的部件，接受电流并承受与供电轨之间的振动和冲击。一般需承载2400A、持续时间30s的工作电流。

导流线与滑板连接，用来将电流从滑板直接传导至底架电流接线端子。

受电器滑板通过16个沉头螺栓连接在活动架上，车辆进站，滑板受到接触轨压迫时，滑板与活动架在限位架的约束条件下向下运动，在四个弹簧的作用下，铜滑板与接触轨充分贴合受电。

每个受电器共8块碳滑板，用螺栓安装，单个碳滑板长度200mm，厚度10mm，结构有效磨耗6mm。

根据多个项目实际使用情况，磨耗到限的寿命约40000～60000km。

2受电器滑板寿命影响因素

滑板寿命主要与以下因素有关：

（1）充电电流与时间，滑板寿命与充电电流及时间成反比。

（2）供电轨宽度，滑板寿命与供电轨宽度成反比。

（3）供电轨拉出值，滑板寿命与拉出值的大小成正比。

（4）滑板有效磨耗厚度，滑板寿命与滑板有效磨耗厚度成正比。

本文从受电器自身角度考虑使用寿命优化的方案。

根据以往项目实际使用数据，磨耗到限的寿命约40000～60000km，即碳滑板平均磨耗量约为1.0～1.3mm/10000km。为达到100000km寿命水平，单块滑板能够提供的磨耗量需达到13mm以上。

3方案优化

3.1优化碳滑板厚度，将滑板厚度由10mm增加至15mm

3.1.1受力计算

滑板由目前的10mm厚度更换为15mm厚度，整个弓头重量增加1.82kg。

受力结构如图8所示。

以下臂杆与底架的支点为转动中心，进行受力分析：

ΔF×L1×cosα=ΔP×L2×cosβ

已知L1=650mm，L2=129mm，β=34°，α=8°，ΔP=182×9.8=17.9N。

根据上述参数计算弹簧作用力增加量ΔF=75.5N。

采用两个弹簧，每个弹簧力增加75.5/2=37.7N。

弹簧刚度为3.06N/mm，弹簧伸长量=37.7/3.06=12.3mm。

滑板重量的增加，通过增加弹簧伸长量实现，螺栓伸长量12.3mm。

目前螺栓可调节量65mm，大于12.3mm，满足设计要求。

3.1.2电气性能

当滑板的厚度由10mm增加到15mm后，只会影响整体电阻，测量结果可以忽略不计。对电气性能的影响可以忽略不计。

3.2优化对称安装结构