CN110816278B - 一种用于电力机车的自适应可变倾角多滚筒受流装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电力机车的自适应可变倾角多滚筒受流装置，包括多个金属滚筒和用于放置金属滚筒的滚筒底座；包括底板、侧板和第一顶板和第二顶板；还包括与侧板相对设置的活动板；侧板和活动板上均设置有与金属滚筒一一对应的方孔；金属滚筒的滚筒转轴一端嵌入侧板的方孔内，另一端嵌入活动板的方孔内；滚筒转轴通过开孔活动套设在螺钉上；金属滚筒内设置有与滚筒转轴接触用于受流的电刷；还设置有用于带动活动板运动的滑动装置；金属滚筒与接触线接触受流；本发明可根据机车速度、牵引功率的变化调整滚筒与接触线的夹角，并有效减小受电弓弓头的磨损和缓解与接触线的机械冲击，改变接触面积以适应牵引电流的变化。
Description
技术领域
本发明涉及有轨交通技术领域，具体涉及一种用于电力机车的自适应可变倾角多滚筒受流装置。
背景技术
电力牵引机车需要的电能是依靠一架或多架安装在列车车厢顶部、被称为受电弓的集电器与其上方的接触悬挂直接接触传输的。受电弓与接触线直线接触的部件称为碳滑板，电能通过该部件穿入车载设备及弱点设备，因此，弓网系统是列车稳定电能传输的关键。
受电弓与接触网的众多设计参数影响着弓网系统的性能，对于速度目标值较高的弓网系统，动态相互作用性能至关重要。为了使运行中的电力机车受电弓滑板工作面与接触线摩擦均匀，所以悬挂接触线的支柱普遍采用了沿铁路线两侧交叉设置。所以接触线沿线呈“Z”字型的方式架设。“Z”字型布线使得接触线与碳滑板表面的接触面积增大。支柱呈“Z”字型一方面能使接触线在碳滑板中心周围约60%～70%的“甜区”相对往复滑动，显著提高碳滑板的材料利用率，同时延长受电弓的使用寿命。另一方面使得碳滑板与接触线的接触点时刻在变化，起到碳滑板散热的作用。
传统受电弓的不足将严重制约着列车的提速，现有对受电弓的结构、材料和尺寸进行的改进，但在机车不断提速、载荷不断变化的情况下，存在以下问题：（1）在机车高速运行过程中，碳滑板与接触线之间的柔性接触会逐渐演变成刚性冲击；严重时会造成碳滑板经过接触线硬点时出现崩边掉块的情况，导致碳滑板与接触线的有效接触面积减小，进而产生更多的焦耳热使导电斑点的温度升高，使碳滑板老化更快。（2）碳滑板与接触线的贴合度不够将引起受流不稳定，导致电弧频发，对接触线和碳滑板都会造成热侵蚀。（3）现有研究的滚筒受流装置在高速运动下，滚筒的转速跟不上车速，仍会与接触线滑动摩擦以及产生刚性冲击。（4）传统受电弓弓头托起的受电弓滑板数量固定，即与接触线的接触面积不变，当机车处于重载、提速的情况下，流过受电弓的牵引电流增大，接触电阻不变而牵引电流增大导致产生的焦耳热增大，加快对受电弓的损耗，因此很难有效的适应牵引功率的大幅变化。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题提供过一种可根据机车速度、牵引功率的变化调整滚筒与接触线的夹角，并有效减小受电弓弓头的磨损和缓解与接触线的机械冲击，改变接触面积以适应牵引电流的变化的用于电力机车的自适应可变倾角多滚筒受流装置。
本发明采用的技术方案是：
一种用于电力机车的自适应可变倾角多滚筒受流装置，包括多个金属滚筒和用于放置金属滚筒的滚筒底座；滚筒底座为箱状结构，包括长方形底板、设置在底板上与底板长侧边连接的侧板和分别与底板短边连接的第一顶板和第二顶板；还包括与侧板相对设置的活动板；侧板和活动板上均设置有与金属滚筒一一对应的方孔；金属滚筒的滚筒转轴一端嵌入侧板的方孔内，另一端嵌入活动板的方孔内；滚筒转轴一端与侧板上方孔的连接方式和另一端与活动板方孔的连接方式相同；螺栓从侧板顶部穿入方孔内，穿过滚筒转轴上的开孔后旋接在方孔底部；滚筒转轴和方孔上部之间的螺栓上套设有弹簧；滚筒转轴通过开孔活动套设在螺栓上；金属滚筒通过轴承绕滚筒转轴转动；金属滚筒内设置有与滚筒转轴接触用于受流的电刷；还设置有用于带动活动板运动的滑动装置；滑动装置设置在弓头底座上；弓头底座设置在受电弓托臂上端，金属滚筒与接触线接触受流。
进一步的，所述接触线下端为平面。
进一步的，所述滑动装置包括电机和第一连杆；连杆的一端连接电机输出轴，另一端连接转轴的底部；转轴的顶部连接第二连杆的一端，第二连杆的另一端连接滑块下端；滑块沿直线导轨滑动；滑块上端连接可伸缩推杆的一端，可伸缩推杆的另一端连接活动板下部带动活动板活动。
进一步的，所述滑动装置还包括装置本体，滑动装置其他结构置于装置本体内；装置本体下端设置在弓头底座上，上端通过支撑装置与滚筒底座接触。
进一步的，还包括用于采集金属滚筒温度信息的温度传感器和用于采集金属滚筒受到接触线冲击信息的力传感器；还包括用于采集电机转速的转速传感器；温度传感器、力传感器和转速传感器均依次通过A/D转换电路和滤波放大电路后连接控制装置；控制装置连接报警装置；控制装置还连接电机。
进一步的，所述可伸缩推杆包括外套筒和内套筒；内套筒可通过设置在外套筒内的伸缩机构与外套筒相对伸缩。
进一步的，所述螺栓与方孔底部旋接部分设置有外螺纹，其上部为光滑杆。
进一步的，所述第一顶板和第二顶板长度大于底板短边长度，第一顶板和第二顶板远离侧板一端向底板外侧延伸；活动板长度小于侧板长度；第一顶板和第二顶板对应活动板位置设置有缓冲限位装置。
进一步的，所述金属滚筒包括滚筒转轴和滚筒外层；滚筒转轴外除与轴承和电刷接触处均设置有绝缘轴套；轴承包括两个，分别设置在靠近金属滚筒两端处；金属滚筒两端分别设置有用于支撑轴承的轴承盖；力传感器和温度传感器分别设置在两个轴承盖内。
进一步的，所述第一顶板和第二顶板外侧为弧形结构。
本发明的有益效果是：
（1）本发明采用金属滚筒结构代替传统的碳滑板受电弓，电力机车在行驶过程中，接触线通过滚动摩擦带动滚筒旋转，与传统的碳滑板的滑动摩擦相比，可明显降低接触线对金属滚筒的磨损，同时金属滚筒在旋转的过程中受流位置时刻变化，使得滚筒材料能得到更充分的利用和均匀的消耗；
（2）本发明中金属滚筒在运动过程中会时刻改变与接触线的接触位置，金属滚筒有充分的时间散热，同时可以减缓滚筒工作面的损耗；此外，当机车停车时，受电弓与接触网相对静止，倾斜的金属滚筒能使接触面积增大，从而减小静态接触电阻，可减小导电斑点附近产生的焦耳热，避免接触点过热磨损金属滚筒；
（3）本发明滚筒底座中顶板为弧形结构，符合动力学设计，能减小高速下带来的巨大风阻，活动板与顶板碰撞的面设置有减震限位装置，保证金属滚筒倾斜的角度不超过预设值；
（4）本发明能够适应机车在重载和轻载工况之间牵引功率的需求变化，减缓刚性冲击，保证受流稳定性；
（5）本发明金属滚筒固定处设置有弹簧，可有效缓冲高速下接触线硬点带来的刚性冲击有效降低离线率，减小发生拉弧的几率；
（6）本发明设置有通过转速传感器检测电机的转速，可以通过切断电机电源锁死倾角，防止电机调节倾角失控，锁死后的角度仍不影响金属滚筒的受流。
附图说明
图1为本发明中接触线的横截面示意图。
图2为本发明在轻载、低速下金属滚筒与接触线工作俯视图。
图3为本发明在重载、高速下金属滚筒与接触线工作俯视图。
图4为本发明装置立体结构示意图。
图5为本发明装置侧视图。
图6为本发明金属滚筒截面图。
图7为本发明中滑动装置结构示意图。
图8为推杆结构示意图。
图9为控制装置连接示意图。
图中：1-接触线，2-螺栓，3-滚筒底座，301-侧板，302-第二顶板，303-第一顶板，304-底板，4-金属滚筒，5-缓冲限位装置，6-弓头底座，7-活动板，8-装置本体，9-弹簧，10-滚筒转轴，11-电机，12-转速传感器，13-力传感器，14-轴承盖，15-轴承，16-滚筒外层，17-温度传感器，18-电刷，19-轴套，20-直线导轨，21-支撑装置，22-推杆，23-转轴，24-第一连杆，25-输出轴，26-滑块，27-第二连杆，28-外套筒，29-内套筒，30-伸缩机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1～9所示，一种用于电力机车的自适应可变倾角多滚筒受流装置，包括多个金属滚筒4和用于放置金属滚筒4的滚筒底座3；滚筒底座3为箱状结构，包括长方形底板304、设置在底板304上与底板304长侧边连接的侧板301和分别与底板304短边连接的第一顶板303和第二顶板302；还包括与侧板301相对设置的活动板7；侧板301和活动板7上均设置有与金属滚筒4一一对应的方孔；金属滚筒4的滚筒转轴10一端嵌入侧板301的方孔内，另一端嵌入活动板7的方孔内；滚筒转轴10一端与侧板301上方孔的连接方式和另一端与活动板7方孔的连接方式相同；螺栓2从侧板301顶部穿入方孔内，穿过滚筒转轴10上的开孔后旋接在方孔底部；滚筒转轴10和方孔上部之间的螺栓2上套设有弹簧9；滚筒转轴10通过开孔活动套设在螺栓2上；金属滚筒4通过轴承15绕滚筒转轴10转动；金属滚筒4内设置有与滚筒转轴10接触用于受流的电刷18；还设置有用于带动活动板7运动的滑动装置；滑动装置设置在弓头底座6上；弓头底座6设置在受电弓托臂上端，金属滚筒4与接触线1接触受流。
接触线1下端为平面，传统的接触线为呈带沟槽的圆柱状，本发明中接触线1的底面为平面，可增大与金属滚筒4的接触受流面积。滑动装置包括电机11和第一连杆24；连杆24的一端连接电机11输出轴25，另一端连接转轴23的底部；转轴23的顶部连接第二连杆27的一端，第二连杆27的另一端连接滑块26下端；滑块26沿直线导轨20滑动；滑块26上端连接可伸缩推杆22的一端，可伸缩推杆22的另一端连接活动板7下部带动活动板7活动。滑动装置还包括装置本体8，滑动装置其他结构置于装置本体8内；装置本体8下端设置在弓头底座6上，上端通过支撑装置21与滚筒底座3接触。还包括用于采集金属滚筒4温度信息的温度传感器17和用于采集金属滚筒4受到接触线1冲击信息的力传感器13；还包括用于采集电机11转速的转速传感器12；温度传感器17、力传感器13和转速传感器12均依次通过A/D转换电路和滤波放大电路后连接控制装置；控制装置连接报警装置；控制装置还连接电机11。可伸缩推杆22包括外套筒28和内套筒29；内套筒29可通过设置在外套筒28内的伸缩机构30与外套筒28相对伸缩。螺栓2与方孔底部旋接部分设置有外螺纹，其上部为光滑杆。第一顶板303和第二顶板302长度大于底板304短边长度，第一顶板303和第二顶板302远离侧板301一端向底板304外侧延伸；活动板7长度小于侧板301长度；第一顶板303和第二顶板302对应活动板7位置设置有缓冲限位装置5。金属滚筒4包括滚筒转轴10和滚筒外层16；滚筒转轴10外除与轴承15和电刷18接触处均设置有绝缘轴套19；轴承15包括两个，分别设置在靠近金属滚筒4两端处；金属滚筒4两端分别设置有用于支撑轴承15的轴承盖14；力传感器13和温度传感器17分别设置在两个轴承盖14内。第一顶板303和第二顶板302外侧为弧形结构。
本发明中金属滚筒4与接触线1倾角变化的控制过程如下：当机车处于牵引功率变大（重载导致牵引电流增大，使接触点的温度升高；机车提速使接触线带来的冲击力增大）的情况，处于金属滚筒4内的温度传感器17采集到温度升高信号，经信号处理电路（信号处理电路包括A/D转换电路和滤波放大电路）后变为电信号。设置在金属滚筒4内的力传感器13采集到接触线1带来的冲击力大于预设值，同样经信号处理电路处理后变为电信号。控制装置对信号进行识别，判断金属滚筒4的温度是否出现升高，受到的冲击力是否变化，若温度出现升高或收到的冲击力变化，则控制装置控制电机11旋转。滑动装置可通过推杆22使活动板7移动达到金属滚筒4与接触线1形成一定的夹角。否则，控制装置4控制电机11不动作，保持金属滚筒4原有的倾角。
若电机11的转速出现异常，转速传感器13将采集到电机11异常恒转且转速提升的信号，信号经处理后传输到控制装置；控制装置4控制电机11将其电源切除，将金属滚筒4的倾角锁死。锁死后的角度不影响金属滚筒4的受流。
控制装置还连接报警装置，当控制装置判断温度传感器17的温度超过设定阈值，或者力传感器13采集到的受力超过设定阈值，控制装置向报警装置传输信号，报警装置报警提示工作人员查看。
本发明中金属滚筒4与接触线1呈一定角度，将增大接触线1与金属滚筒4的接触面积，能够适应更大的牵引电流，同时金属滚筒4的倾斜能够减缓与接触线1的硬碰撞力度，使金属滚筒4处于温度最合适、受冲击力小的状态。
本发明采用多金属滚筒4结构代替传统的碳滑板受电弓，电力机车在行驶过程中，接触线1通过滚动摩擦带动金属滚筒4旋转。与传统碳滑板的滑动摩擦相比，可明显降低接触线1对金属滚筒4的磨损，同时金属滚筒在旋转过程中受流位置时刻发生变化，使得金属滚筒4能得到更充分的利用和均匀的消耗。金属滚筒4在运动过程中会时刻改变与接触线1的接触位置，金属滚筒4有充分的时间散热，同时可减缓金属滚筒4工作面的损耗。此外，当机车停车时，受电弓与接触网相对静止，倾斜的金属滚筒4能够使接触面积增大，从而减小静态接触电阻。可减小导电斑点附近产生的焦耳热，避免接触点过热磨损金属滚筒4。金属滚筒4的滚筒底座3中的顶板设计为弧形结构，符合动力学设计，能减小高速运动下带来的巨大风阻。活动板7与滚筒底座3碰撞的面设置有减震限位装置5，可以保证金属滚筒4倾斜的角度不超过预设值。
能够适应机车在重载和轻载工况之间牵引功率的需求变化，减缓刚性冲击，保证受流稳定性。金属滚筒4的一侧设置于滚筒底座3上，另一侧设置于可活动的活动板7上。可通过下方的滑动装置带动活动板7移动。当金属滚筒4内的力传感器13采集到牵引功率变大的信号，控制电机11输出轴25转动，通过第一连杆24、第二连杆27和转轴23带动滑块26沿直线导轨20直线方向滑动。当金属滚筒4内的力传感器13采集到牵引功率变大的信号，控制电机11带动滑动装置通过连杆机构推动活动板7移动，使得金属滚筒4与接触线1呈一定夹角。同时金属滚筒4固定处设置有弹簧9，一方面能使高速下接触线1硬点带来的冲击力顺向于金属滚筒4斜面，有效缓冲高速下接触线1硬点带来的刚性冲击。另一方面能够使金属滚筒4与接触线1更好的贴合，能够在列车高速运动时更可靠的跟随接触线1，有效降低离线率，减少发生拉弧的几率。倾斜的金属滚筒4使得与接触线1接触面积显著增大，导电斑点数量增加，可大大减小接触电阻，避免温度过高引发金属滚筒4的电热烧蚀。通过转速传感器12检测电机11转速，可通过切断电机11电源锁死倾角防止电机11调节倾角失控，锁死后的角度仍不影响金属滚筒4的受流。
本发明通过对接触线1底面、受电弓弓头进行改进，增大了接触线1与受电弓的接触面积。将传统的滑动摩擦受流方式改变为金属滚筒4与接触线1的滚动接触受流。考虑到金属滚筒4与接触线1倾角存在失控的可能，设置保护措施及时切断电机11电源而锁死角度，金属滚筒在锁死角度后也能保持稳定受流的状态。本发明能减缓高速下接触线1带来的碰撞与磨损，并且可增大金属滚筒4与接触线1的接触面积，从而减小接触电阻并减少焦耳热导致的热侵蚀，保证金属滚筒4处于温度最合适且受冲击力最小的状态，从而适应于机车的不断提速和牵引功率的变化。
Claims (10)
1.一种用于电力机车的自适应可变倾角多滚筒受流装置，其特征在于，包括多个金属滚筒（4）和用于放置金属滚筒（4）的滚筒底座（3）；滚筒底座（3）为箱状结构，包括长方形底板（304）、设置在底板（304）上与底板（304）长侧边连接的侧板（301）和分别与底板（304）短边连接的第一顶板（303）和第二顶板（302）；还包括与侧板（301）相对设置的活动板（7）；侧板（301）和活动板（7）上均设置有与金属滚筒（4）一一对应的方孔；金属滚筒（4）的滚筒转轴（10）一端嵌入侧板（301）的方孔内，另一端嵌入活动板（7）的方孔内；滚筒转轴（10）一端与侧板（301）上方孔的连接方式和另一端与活动板（7）方孔的连接方式相同；螺栓（2）从侧板（301）顶部穿入方孔内，穿过滚筒转轴（10）上的开孔后旋接在方孔底部；滚筒转轴（10）和方孔上部之间的螺栓（2）上套设有弹簧（9）；滚筒转轴（10）通过开孔活动套设在螺栓（2）上；金属滚筒（4）通过轴承（15）绕滚筒转轴（10）转动；金属滚筒（4）内设置有与滚筒转轴（10）接触用于受流的电刷（18）；还设置有用于带动活动板（7）运动的滑动装置；滑动装置设置在弓头底座（6）上；弓头底座（6）设置在受电弓托臂上端，金属滚筒（4）与接触线（1）接触受流。
2.根据权利要求1所述的一种用于电力机车的自适应可变倾角多滚筒受流装置，其特征在于，所述接触线（1）下端为平面。
3.根据权利要求1所述的一种用于电力机车的自适应可变倾角多滚筒受流装置，其特征在于，所述滑动装置包括电机（11）和第一连杆（24）；连杆（24）的一端连接电机（11）输出轴（25），另一端连接转轴（23）的底部；转轴（23）的顶部连接第二连杆（27）的一端，第二连杆（27）的另一端连接滑块（26）下端；滑块（26）沿直线导轨（20）滑动；滑块（26）上端连接可伸缩推杆（22）的一端，可伸缩推杆（22）的另一端连接活动板（7）下部带动活动板（7）活动。
4.根据权利要求3所述的一种用于电力机车的自适应可变倾角多滚筒受流装置，其特征在于，所述滑动装置还包括装置本体（8），滑动装置其他结构置于装置本体（8）内；装置本体（8）下端设置在弓头底座（6）上，上端通过支撑装置（21）与滚筒底座（3）接触。
5.根据权利要求3所述的一种用于电力机车的自适应可变倾角多滚筒受流装置，其特征在于，还包括用于采集金属滚筒（4）温度信息的温度传感器（17）和用于采集金属滚筒（4）受到接触线（1）冲击信息的力传感器（13）；还包括用于采集电机（11）转速的转速传感器（12）；温度传感器（17）、力传感器（13）和转速传感器（12）均依次通过A/D转换电路和滤波放大电路后连接控制装置；控制装置连接报警装置；控制装置还连接电机（11）。
6.根据权利要求3所述的一种用于电力机车的自适应可变倾角多滚筒受流装置，其特征在于，所述可伸缩推杆（22）包括外套筒（28）和内套筒（29）；内套筒（29）可通过设置在外套筒（28）内的伸缩机构（30）与外套筒（28）相对伸缩。
7.根据权利要求1所述的一种用于电力机车的自适应可变倾角多滚筒受流装置，其特征在于，所述螺栓（2）与方孔底部旋接部分设置有外螺纹，其上部为光滑杆。
8.根据权利要求1所述的一种用于电力机车的自适应可变倾角多滚筒受流装置，其特征在于，所述第一顶板（303）和第二顶板（302）长度大于底板（304）短边长度，第一顶板（303）和第二顶板（302）远离侧板（301）一端向底板（304）外侧延伸；活动板（7）长度小于侧板（301）长度；第一顶板（303）和第二顶板（302）对应活动板（7）位置设置有缓冲限位装置（5）。
9.根据权利要求1所述的一种用于电力机车的自适应可变倾角多滚筒受流装置，其特征在于，所述金属滚筒（4）包括滚筒转轴（10）和滚筒外层（16）；滚筒转轴（10）外除与轴承（15）和电刷（18）接触处均设置有绝缘轴套（19）；轴承（15）包括两个，分别设置在靠近金属滚筒（4）两端处；金属滚筒（4）两端分别设置有用于支撑轴承（15）的轴承盖（14）；力传感器（13）和温度传感器（17）分别设置在两个轴承盖（14）内。
10.根据权利要求1所述的一种用于电力机车的自适应可变倾角多滚筒受流装置，其特征在于，所述第一顶板（303）和第二顶板（302）外侧为弧形结构。
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