一种电气化列车滚动式接触受电弓装置

1.本发明涉及一种电气化列车供电系统的受电弓领域，尤其是涉及一种电气化列车滚动式接触受电弓装置。


背景技术：

2.电气化铁路运输车辆的动力采用驱动电机系统，弓网系统是实现地面和车辆供电系统的主要途径之一，而弓网系统主要由接触网线和受电弓组成。受电弓是轨道交通列车受流装置，安装在机车车顶上，是电气化列车从接触网取得电能的关键电器设备之一。传统的受电弓结构一般包括滑板条和天平支撑及横托架的弓头系统、平衡杆、上臂杆、下臂杆、拉杆和底架等，为了满足受流的稳定性和连续性，需要受电弓与接触网线保持良好的跟随性。
3.在列车正常运营行驶过程中，受电弓与接触网线沿列车运行方向采用滑动接触取电，受电弓与接触网线之间的摩擦磨损直接影响到运行安全和零部件寿命，为了充分利用受电弓滑板在一定范围内均匀磨损延长寿命，接触网线沿行车方向布局成“s”形或“z”形等以实现一定的拉出值(一般在300mm左右)，受电弓滑板与接触网线之间的滑动除了沿行车方向滑动外还有沿滑板长度方向或垂直行车方向摆动的滑动，这种滑动磨耗是弓网机械磨耗的主要部分。同时接触网线的不平顺、硬点等及滑板的粗糙度和不规则的磨损廓形也对弓网产生冲击力也加快了滑板及网线的磨耗。
4.另外由于轨道的不平顺性及车轮多边形和轮轨粗糙度等轮轨滚动动态对车辆的激励及车辆系统本身动力系统激励等引起车体不同幅度及不同频率的振动，该振动就会通过车体直接传播到受电弓底座上，进而引起受电弓的振动。同时受电弓与接触网的滑行及摆动和难免的弓网冲击激励也引起受电弓的振动，由于这种复杂的振动及滑板条的动态特性在受电弓碳滑板的不同位置造成弓网接触力幅值及相对滑动幅值动态波动，这种在不同位置的不同动态波动将产生碳滑板的不均匀磨耗，振动引起的动态接触力及动态相对滑动位移也大大地加快了碳滑板的磨损速度。虽然受电弓的弓形结构及阻尼系统可以隔离及吸收缓解部分较高频率的振动，但对中低频(低于200hz)的振动不能有效隔离和吸收，这就造成碳滑板与接触导线的高幅值振动，使受电弓碳滑板异常磨耗，甚至导致弓网事故；碳滑板异常磨耗，严重的在地铁运营线路中碳滑板寿命从正常的一般80～100个星期降到不到1个星期，需要花费大量的人力和财力去频繁更换，同时也是巨大的安全隐患。
5.目前，城市轨道交通的地下线路，广泛采用刚性接触网，由于刚性接触网与柔性接触网相比弹性小，弓网的跟随性变差，相对于柔性接触网，刚性接触网在受电弓振动的时，造成的危害更大。当前，城市轨道交通碳滑板超磨(异常磨损)现象较普遍，这种现象造成轨道交通运营的安全隐患及成本的加大。
6.专利申请cn202110478347.7公开了一种电力机车受电弓装置，转动支撑结构，所述转动支撑结构平行设置在弓头的两侧，转动支撑结构与底座弹性连接，转动支撑结构与接触网接触时与接触网滚动接触，转动支撑结构水平方向的最高点高于接触滑板的最高
点，转动支撑结构与接触网接触时受到向下作用而向下运动。尽管该发明提到了“转动支撑结构与接触网接触时与接触网滚动接触”但是因为弓网为了保持接触系统必须设计预接触力(一般120n左右)，在预接触力下转动支撑结构向下运动后接触网又回到和传统的碳滑板接触而转动支撑结构不再起作用，也就是说这种发明没有改善或解决接触线和碳滑板的接触摩擦问题-理想中的“滚动 滑动”实际仍是“滑动”；而为使碳滑板均匀磨损，接触网线在空间的布局沿线路方向不是在一条线上，实际上接触线和碳滑板之间除了沿行车方向滑动外还要左右(垂直行车方向的水平面上)相互摆动，但该发明中“相邻两个转动件之间的缝隙”或不连续性，将使接触线摆滑过程中形成不均匀磨损直接影响左右滑动，这种多个转动体之间过渡也产成离线冲击而增加电弧磨耗，额外的不连续或间断滑动面增加了弓网接触中的冲击及离线机会。因此，该发明仍存在较大的电弧磨损。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电气化列车滚动式接触受电弓装置。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种电气化列车滚动式接触受电弓装置，包括滚动导电筒、转动轴承、转动支承轴座、天平支撑架和横托架，所述滚动导电筒通过转动轴承安装在转动支承轴座上，所述转动支承轴座通过天平支撑架安装在横托架上，所述的横托架连接受电弓。
9.进一步地，所述的滚动导电筒包括由外向内依次包覆的滚动导电层、导电筒筒芯和固定轴，固定轴两端分别连接在转动轴承上。
10.进一步地，所述的滚动导电层和导电筒筒芯及固定轴通过粘结或机械连接在一起；
11.所述的导电筒筒芯及固定轴均为导电材料制成，其材料为金属材料，非金属材料或金属与非金属复合材料；
12.进一步地，所述的滚动导电层为耐磨材料，其材料是金属材料、非金属材料或金属与非金属复合材料，所述的非金属复合材料是碳基或碳纤维渗金属材料。
13.进一步地，所述的导电筒筒芯为轻型高刚度结构，其组合后的滚动导电筒的动态模态频率不小于100hz；其组合后的滚动导电筒的阻尼损耗因子不小于0.1。
14.进一步地，所述的滚动导电筒与接触网线之间设置有预接触力，其接触力范围为20-200n。
15.进一步地，所述的滚动导电筒与接触网线在行车方向滚动摩擦行驶，滚动导电筒与接触网线摩擦副摩擦阻力矩大于转动轴承与转动支承轴座摩擦副摩擦阻力矩。
16.进一步地，所述的转动轴承和转动支承轴座均为导电材料制成，其材料是金属材料或者非金属材料，所述的转动轴承是滚珠、滚柱或滑动轴承。
17.可通过选则不同摩擦系数的材料，例如“滚动导电筒”用高摩擦系数的金属或非金属例如碳材料与铜材料的接触网线形成高的摩擦阻力，而转动轴承与转动支承轴座直接采用有润滑的滑动轴承形成低的摩擦阻力，保证滚动导电筒在接触网线上滚动。
18.进一步地，所述的滚动导电筒与接触网线在拉出值范围的横向相对摆动为滑动摩擦运动，其转动支承轴座为径向和轴向双向限位支承座，所述的径向是垂直于滚动导电筒
的中心线方向，所述的轴向是平行于滚动导电筒的中心线方向。
19.进一步地，所述的接触网线是柔性接触网的接触线，或者是刚性接触网的接触线。
20.进一步地，所述的柔性接触网由承力索、接触线、加强线、回流线组成，所述的刚性接触网由汇流排、接触线、回流线组成。
21.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
22.1、本发明从弓网接触关系上在列出运行方向从接触网线与受电弓滑动板之间的滑动摩擦接触改变为滚动摩擦接触，大大地降低网线及滑板的接触机械摩擦损耗，同时由于摩擦副相对运动的改变降低弓网系统相对异常不平顺及硬点等的动态颤振冲击，提高受电平稳性，改善受流质量，从而也降低受电弓网的电弧磨损等，提高弓网寿命。
23.2.滑动摩擦是一个物体在另一个物体上运动时，两个物体接触点有相对移动，其中一个物体上一点总是不离开接触面；而滚动摩擦是静摩擦，是一个物体在另一个物体上运动时，两个物体接触点没有相对移动，而物体上一点不总是在接触面上。在相同运动条件下，滚动摩擦小于滑动摩擦，在一般情况下，滚动摩擦只有滑动摩擦阻力的1/40至1/60。本发明是彻底改变了弓网关系的接触摩擦方式，通过变更碳滑板由原来在列车运行方向的固定被动受滑磨损改变为完全主动的滚动跟随，把原来同时接触网线和碳滑板的双方滑动摩擦磨损转变成滚动摩擦副，从根本上解决了网线和碳滑板的高速磨耗问题，包括：
24.a)大幅度降低碳滑板及接触网线的磨耗，特别是因各种弓网不稳定工况带来的异常磨耗，对于同样材料及工作条件，材料磨耗的快慢与摩擦阻力的大小成正比，仅从摩擦力线性对比，滚动磨耗可降低滑动磨耗40-60倍，能大大提高磨耗件的寿命，减少维修更换工作量和成本。
25.b)由于接触网线在线路安装布置是通过一定距离的固定装置约束，一方面零部件制造及安装存在误差，接触网线在实际中的位置和理论位置难免有误差形成弓网接触点的“不平顺”；另一方面弓网系统不同零部件材料不同，安装约束条件不同，在运运行中受力状况不同及环境温度变化的热涨冷缩效应等，网线沿线路方向其长度的不均匀变化会形成凸起的集结点或称硬点，特别对刚性接触网更为严重，那么对常规的碳滑板要滑过不平顺或有硬点的网线会带来冲击和额外的阻力，这种冲击和阻力也加大了滑动的难度和相互磨损，本发明从根本上解决该问题。
26.3、本发明结构简单，实施方便，既可以直接在现有的受电弓弓头上应用，也可以在新设计的受电弓中引入。
附图说明
27.图1为实施例1的结构示意图。
28.图2为实施例2的结构示意图。
29.图3为实施例3的结构截面剖视示意图。
30.图4为实施例4的结构示意图。
31.附图标记：1、滚动导电筒，11、滚动导电层，12、导电筒筒芯，13、固定轴，14、轴向限位套，15、轴向限位锁帽，16、空腔，17、阻尼材料，2、转动轴承，3、转动支承轴座，4、天平支撑架，5、横托架，6、接触网线。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
33.实施例1
34.不同型号受电弓的某些零件有可能不同，但其基本结构差别很小，受电弓结构一般包括弓头系统、平衡杆、上臂杆、下臂杆、拉杆和底架等。如图1所示，本实施例提供了一种电气化列车滚动式接触受电弓装置，该装置安装在传统受电弓的平衡杆上，包括滚动导电筒1、滚珠转动轴承2、转动支承轴座3、天平支撑架4和横托架5。
35.所述滚动导电筒1由碳材质滚动导电层11、铝基导电筒筒芯12、钢质固定轴13组成，其中滚动导电层11、导电筒筒芯12和固定轴13由外向内依次包覆，固定轴13两端分别连接在转动轴承2上，滚动导电层11和导电筒筒芯12及固定轴13通过粘结或机械连接在一起；
36.所述的滚动导电层11为耐磨材料，其材料是金属材料、非金属材料或金属与非金属复合材料，所述的非金属复合材料是碳基或碳纤维渗金属材料。
37.所述的导电筒筒芯12及固定轴13均为导电材料制成，其材料为金属材料，非金属材料或金属与非金属复合材料；所述的导电筒筒芯12为轻型高刚度结构。
38.控制滚动导电层11的厚度d不小于6mm，导电筒筒芯12的直径d大于10mm，以及滚动导电层11、导电筒筒芯12和固定轴13选材的导电率等，使其满足以下公式：
39.σ＝1/ρ
40.σ是电导率，它是电阻率ρ的倒数，即，电导率的单位是西门子/米s
·
m-1
(西
·
米-1
)
41.ρ是取决于导体材料和温度的一个物理量，叫做材料的电阻率。ρ＝rs/l其单位为ω
·
m(欧
·
米))，l为材料的长度，s为面积，r是电阻值。
42.同时在结构动态特性使其组合后的滚动导电筒1的动态模态频率不小于100hz；其组合后的滚动导电筒1的阻尼损耗因子不小于0.1。
43.所述滚动导电筒1通过转动轴承2安装在转动支承轴座3上，所述的转动支承轴座3通过轴向限位套14和轴向限位锁帽15限位，所述转动支承轴座3通过天平支撑架4采用锚固螺栓安装在横托架5上，所述的横托架5连接受电弓。
44.所述的滚动导电筒1与接触网线6之间设置有预接触力，其接触力范围为20-200n。
45.所述的滚动导电筒1与接触网线6在行车方向滚动摩擦行驶，通过控制材料及零部件的摩擦系数使滚动导电筒1与接触网线6摩擦副摩擦阻力矩大于转动轴承2与转动支承轴座3摩擦副摩擦阻力矩。
46.所述的转动轴承2和转动支承轴座3均为导电材料制成，其材料是金属材料或者非金属材料，所述的转动轴承2是滚珠、滚柱或滑动轴承。在本实施例中选择碳材料为滚动导电层11、铝合金为导电筒筒芯12和钢材料为固定轴13，滚动轴承2选择市售滚珠结构，以便实现接触网线6和滚动导电筒1的滚动摩擦效果。
47.所述的滚动导电筒1与接触网线6在拉出值范围的横向相对摆动为滑动摩擦运动，滚动导电层11采用碳材料与接触网线6形成低摩擦阻力摩擦副，其转动支承轴座3为径向和轴向双向限位支承座承受横向摩擦阻力，所述的径向是垂直于滚动导电筒1的中心线方向，所述的轴向是平行于滚动导电筒1的中心线方向。
48.所述的接触网线6是柔性接触网的接触线，或者是刚性接触网的接触线。所述的柔性接触网由承力索、接触线、加强线、回流线组成，所述的刚性接触网由汇流排、接触线、回流线组成。在本实施例中应用在刚性接触网系统。
49.实施例2
50.如图2所示，本实施例提供了一种电气化列车滚动式接触受电弓装置，其基本结构和实施例1相同，其区别点在于：转动轴承2为滚柱转动轴承。
51.实施例3
52.如图3所示，本实施例提供了一种电气化列车滚动式接触受电弓装置，其基本结构和实施例1相同，其区别点在于：导电筒筒芯12为铝基空腔16加筋结构。
53.实施例4
54.如图4所示，本实施例提供了一种电气化列车滚动式接触受电弓装置，其基本结构和实施例3相同，其区别点在于：导电筒筒芯12为铝基空腔加筋结构，铝基空腔内填充有阻尼材料17，形成复合阻尼导电筒筒芯，所述的阻尼材料为具有复刚度阻尼特性的粘弹材料，并且刚度阻尼特性的粘弹材料阻尼损耗因子范围为0-1，比如洛阳船舶材料研究所研制的型号sa-3阻尼板(《《粘弹性阻尼材料》》,国防工业出版社，2012年，165页)，或洛阳船舶材料研究所研制的型号pd-1灌注型阻尼材料(《《粘弹性阻尼材料》》,国防工业出版社，2012年月，139页)。
55.本发明可大大提高弓网系统的稳定性、可靠性及寿命，能降低原系统中碳滑板及接触网线磨损40-60倍，如果对滚动导电筒采用结构刚度及阻尼优化可提高系统稳定可靠性，能够进一步改善受流质量及系统动态性能，例如降低弓网零部件的振动和噪声辐射等。
56.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。