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一种适应于有轨电车的接地装置设计

2021/4/25    来源:互联网    作者:郭瑾玉  侯波  林平  冯叶      
关键字:有轨电车  接地装置设计  
文章通过对比分析了有轨电车接地装置的特点与要求,介绍了一种自主化的有轨电车接地装置,详细阐述了其结构和工作原理,并对该接地装置在额定电流下的温升进行了计算及试验验证。该接地装置具有结构紧凑、体积小、重量轻、可承受额定电流大的优点。

0 引言

    有轨电车使用储能装置存储电能,储能装置功率密度高,充放电效率高,对环境无污染,能实现能量的高效循环利用,达到绿色节能的双重目标。有轨电车在充电时需将高压电流通过接地装置传递至地面铁轨进行接地,接地装置安装在转向架轴桥端盖上。目前,包括四模块储能式及五模块储能式在内的有轨电车,所采用的接地装置均为国外进口,不仅售价昂贵,且维护费用高、周期长。针对于此,本文提出了一种自主化的有轨电车接地装置设计方案。

1 有轨电车接地装置的特点与要求

    传统机车及城轨车辆的车轴随着车轮一起旋转,其接地装置接触盘安装于车轴上,随车轴旋转;接地装置本体部分(包括刷架及碳刷等)安装于轴箱端盖,不随车轴旋转。车辆运行时通过碳刷与接触盘的滑动摩擦传递电流,电流流向为接地电缆→刷架→碳刷→接触盘→车轴→车轮→钢轨,如图1所示。

传统城轨车辆接地装置

图1 传统城轨车辆接地装置

    有轨电车用轴桥装置代替了传统的车轴,其轴桥装置不随车轮旋转,车轮外端盖随车轮一起旋转。有轨电车无接地电缆,其接地装置安装接口见图2,图中红色T区域为接地装置边界尺寸。

有轨电车接地装置安装接口

图2 有轨电车接地装置安装接口

    由于有轨电车结构较传统机车及城轨车辆有很大变化,且要求接地装置体积小(总体尺寸小于图2中红色T区域)、质量轻(≤2 kg)、导流能力强,所以传统接地装置结构无法满足有轨电车的特殊要求,需要进行全新设计。

2 有轨电车接地装置结构及工作原理

    根据有轨电车接地装置技术要求,接地装置结构见图3,主要包括铜盖、压力板组装、导流线、接触盘、碳刷及承载盘。铜盖固定在车轮外端盖上,压力板组装自带恒力弹簧,插入铜盖内部;导流线通过螺栓将铜盖与压力板组装连接;压力板组装与接触盘通过螺栓连接,并通过铆钉进行限位;接触盘与碳刷通过压力板组装保持恒定压力接触,碳刷与承载盘通过螺栓连接到轴桥上,并通过铆钉限位。

有轨电车接地装置

图3 有轨电车接地装置

    工作时,铜盖、导流线、压力板组装及接触盘固定在一起,共同随车轮旋转,碳刷及承载盘固定在轴桥装置,不旋转,通过碳刷与接触盘的滑动摩擦实现电流的传递。压力板组装上恒力弹簧通过铜盖自身的止挡板进行限位,压力板组装在铜盖内无旋转自由度(由铜盖限制),只有上下移动的自由度。正常工作时,恒力弹簧被拉伸,随着工作过程中碳刷的磨耗,压力板组装在恒力弹簧的作用下向下移动压缩接触盘,保证了接触盘与碳刷之间一直处于恒定压力下的接触,如图4所示。

接地装置工作原理图

图4 接地装置工作原理图

    有轨电车接地装置电流流向为轴桥→承载盘→碳刷→接触盘→压力板组装→铜盖→车轮外端盖→车轮→钢轨。接触盘与压力板组装连接,压力板组装与铜盖连接,铜盖与车轮外端盖连接,从而实现了接触盘随车轮旋转的目的,能够满足有轨电车轴桥不随车轮旋转的特殊要求。有轨电车接地装置除碳刷外,其他主要部件均为铜材质,其导电能力强,整体结构尺寸小,重量轻。

3 接地装置载流量校核

    接地装置的载流量是指在车辆运行过程中,接地装置能够连续承载而不致使其稳定温度超过规定值的最大电流。按照有轨电车要求,接地装置的载流量为300A。下面通过理论计算300A电流下接地装置的温升,并进行试验验证。

    3.1 理论计算温升

    3.1.1 接触电阻Rc

    根据《高低压电器速查速算手册》,接触电阻Rc按以下公式计算:

公式

    式中:K-与接触材料的物理化学性质及接触表面情况等有关的系数;F-触头压力,N;n-与接触形式、压力范围和实际接触面的数目等因素有关的指数,点接触时n=0.5,线接触时n=0.7~0.75,高压下的面接触时n=0.8~1。

    有轨电车接地装置中,铜盖、压力板组装与导流线三者为螺栓连接,接触盘与压力板组装通过螺栓连接,接触电阻均可忽略不计,碳刷与接触盘之间通过弹簧压力(28.8N)压接在一起,碳刷材质为金属石墨,接触盘材质为青铜,两者之间的接触电阻为:

公式

    式中:触头压力F取28.8N;碳刷与接触盘为面接触,n=0.8;K=3000(黄铜-铁)。

    3.1.2 碳刷与接触盘处静态温升

    碳刷与接触盘之间的接触电阻最大,因此碳刷与接触盘之间的温升值也最大,根据《电机工程手册》可知,稳定电流时碳刷与接触盘处温升值计算如下:

公式

    式中:τc-温升,K;I-流过的电流,A;λ一导热系数,W/(cm·K);A-导体截面积,cm2;αs-散热系数,W/(cm2·K);S-1cm长导体的表面积,cm2

    计算时各参数取值如下:I取设计输入值300A;Rc取碳刷与接触盘之间的接触电阻值1.27×10-3Ω;λ取黄铜导热系数,为1.15W/(cm·K);A取碳刷截面积,为3.14×2.52=19.625cm2;S取1cm长碳刷的表面积54.95cm2。将上述参数值代入式(1)和式(2),得出电流为300A时碳刷与接触盘处温升τc是44.98K。

    3.2 试验验证

    为了验证接地装置的可靠性,对接地装置进行温升试验,温升试验设备可提供持续稳定的大电流。试验过程中用两块铜板及扎带固定并压紧接地装置,电流线夹分别夹住两块铜板(见图5),接地装置通过DC 300A电流共约7h,每隔一小时记录一次温升数据。环境温度25℃时,接地装置在载流下温升数据见表1,5h后温度达到稳定。由试验可见接地装置在载流下的温升小于60K,接地装置符合设计标准。

接地装置温升试验图

图5 接地装置温升试验图

表1 载流下温升数据

载流下温升数据

4 结束语

    根据储能式有轨电车的结构特点(轴桥不随车轮转动),研制了一种相适应的自主化有轨电车接地装置,填补了国内有轨电车接地装置的市场空白,并通过理论计算及试验验证了其载流量满足有轨电车使用的要求。目前该接地装置装车于五模块储能式有轨电车,运用效果良好。

责任编辑:程玥
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