CN103561996A - 用于轨道车辆的受电弓 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在接触导线（3）和轨道车辆之间传输电能的受电弓（5），其中所述受电弓（5）包括：至少一个框架（51），所述框架（51）安装在轨道车辆上；弓头（52），所述弓头（52）用于接触所述接触导线（3）；和弓头悬架，所述弓头悬架安装在所述框架（51）和所述弓头（52）之间，所述受电弓的特征在于，所述弓头悬架包括至少一个气动致动器（6）。

Description

用于轨道车辆的受电弓

技术领域

本发明的领域涉及用于轨道车辆的受电弓。本发明的目标是提出一种具有改进的动力学特性的受电弓。

背景技术

参考图1，轨道车辆1正在以传统的方式在铁轨2上行驶，并且由接触网（即悬线）以传统方式供电，接触网包括支撑在铁轨2上方延伸的接触导线3的垂直支承。接触网的诸支承的间隔间距约为十二米，并且支撑承载线缆，接触导线3借助摆动件自承载线缆悬挂。受电弓（也称集电弓）4为这样一种装置，其被安装在轨道车辆1的电驱动单元顶上，以随着轨道车辆1沿铁轨2移动收集流经接触导线3的电流，从而向驱动单元供电。

在重力和接触导线的悬架点间隔的影响下，接触导线3在摆动件之间形成像接触网（即悬线）一样的曲线，这意味着轨道车辆1的驱动单元的顶和接触导线3之间的高度随着车辆1移动而变化。受电弓4的第一作用是补偿高度变化，使得受电弓4总是与接触导线3接触。受电弓4的第二作用是根据轨道车辆1的速度，向接触导线3施加经校准的接触力F，以允许最优地收集电流。为了该目的，受电弓4包括不同的悬架台架，以便管理受电弓4在接触导线3上的接触力，从而防止任何收集故障（接触力不足）或者接触网的接触导线3过早磨损（接触力过大）。

如图2中的实例所示，传统受电弓4包括：下部，本领域的技术人员称为主框架41，其基础连接至驱动单元的顶；和上部，本领域的技术人员称为弓头42，其连接至框架41的头部，并且计划和接触网的接触导线3接触。

传统受电弓4包括气动框架悬架43，气动框架悬架43包括气动缓冲器，该缓冲器允许框架41在驱动单元的顶上展开和折叠。气动框架悬架43可以补偿接触导线3的高度变化，该高度变化振幅高，并且频率低，范围为1-2Hz。因而，当激活气动框架悬架43时，框架41就旋转并且展开，以将弓头42施加至接触网的接触导线3。传统上，气动框架悬架43的气动压力取决于轨道车辆1的速度。

弓头42借助被本领域技术人员称为弹簧盒44的两个弓头悬架安装在受电弓4的框架41的头部上。例如，法国国营铁路公司的专利申请FR2883809A1公开了一种具有弹簧的弓头悬架装置。弹簧盒44形成第二悬架台架，其可以补偿接触导线3的高度变化，该高度变化振幅低，并且频率高，大于10Hz。

弹簧盒44通常垂直地延伸，并且传统上具有：箱形缸体，其刚性连接至受电弓4的框架41；和活塞，其刚性连接至弓头42，并且以平移的方式安装在所述缸体内。该活塞具有杆件，其一方面连接至弓头42，另一方面连接至圆形盘，该圆形盘安装在缸体中，并且适合在缸体两端之间垂直平移。缸体的两端形成止动件，并且已经在图3中被标以-D₃、+D₃，图3示出根据活塞的运动D的接触导线3上的弓头42的接触力F。

为了缓冲弓头42的运动，活塞盘连接至两个具有大约3000N/m的高刚度的机械弹簧，这些机械弹簧被预压缩在缸体中。如图3所示，根据现有技术的弹簧盒44具有非线性总比率（总刚度），该比率相应于图3中接触力F的曲线斜率。如图3所示，弹簧盒44的刚度根据活塞在缸体内的运动而在邻接位置-D₃、+D₃之间变化，弹簧盒44的刚度在数学意义上为分段的直线。

为了确保弓头42高效地收集电流，必需根据平均接触力、弓头42的质量和弹簧盒44的可接受最大位移量（缸体的长度）计算出弹簧盒44的刚度。当前，对于受电弓4的接触力F，根据现有技术的弹簧盒44的总刚度做得足够高，以符合已建立的标准，并且不与缸体的末端邻接。该高刚度的缺点在于，其在受电弓4的框架41和弓头42之间产生强联接。换句话说，由于接触导线3的高度变化小，所以弓头42和框架41可能同时运动，这产生了动力学方面的缺点。

为了克服这种缺点，FR2740741提出增加永磁体形式的修正弹簧，以限制弹簧盒的刚度，并且因而提高受电弓的框架和弓头之间的解耦（即消除彼此间相互影响）。在实践中，因为生产永磁体的成本高，所以难以实施该解决方案。另外，天气条件可能影响它们的可靠性。

发明内容

为了克服这些缺点中的至少一些缺点，本发明涉及一种用于在接触导线和轨道车辆之间传输电能的受电弓，该受电弓包括：计划安装在轨道车辆上的至少一个框架；计划与该接触导线接触的弓头；和安装在该框架和所述弓头之间的弓头悬架，该受电弓的特征在于，该弓头悬架包括至少一个气动致动器。

该气动致动器的刚度为零，这可以高效地补偿弓头的低振幅振动，而不将其传递至受电弓的框架，因而使框架和弓头解耦，由此提高受电弓的动力学特性。此外，气动致动器良好地抵御颤动和外部条件（雨、霜，等等），允许在工业背景中使用该气动致动器。

优选地，该气动致动器包括：缸体，其刚性地连接至框架；和活塞，其刚性地连接至弓头，并且以平移的方式安装在所述缸体中，以便将该缸体的容积划分为上气动室和下气动室，每个气动室都包括加压气体，该加压气体缓冲活塞的运动。

由于其气动室，气动致动器允许无论弓头是在上升或者下降，都将缓冲弓头的振动。

更优选地，至少一个气动室包括机械弹簧，以便补偿中振幅的振动，而不将其传递给受电弓的框架，因而框架和弓头解耦，由此提高受电弓的动力学特性。优选地，每个气动室都包括机械弹簧。

优选地，所述机械弹簧被自由地安装在所述气动室中，即无预应力。因而，在不偏压机械弹簧的刚度的情形下，活塞在该缸体内自由运动。该气动致动器因而具有多个刚度等级。优选地，机械弹簧被自由地安装在每个气动室中。

优选地，所述机械弹簧的刚度在500-1500N/m之间，优选等于600N/m。由于气动缓冲，所以该弹簧有利地具有比刚度约为3000N/m的传统弹簧盒低的刚度。具有这样一种刚度的弹簧使得可能通过提高弓头和框架之间的解耦，来提高受电弓的动力学特性。优选地，每个机械弹簧的刚度都相同。有利地，在不提高该弓头冲程的情形下实现低刚度。

优选地，至少一个所述气动室包括布置在所述缸体中的至少一个气动供应开口。优选地，每个气动缸体都包括布置在该缸体中的至少一个气动供应开口。

根据本发明的一方面，设置该气动致动器中的气动压力，以便在接触导线上施加预定的接触力。有利地，通过控制气动压力调节接触力。优选地，气动压力取决于轨道车辆的速度，并且这使得可以提高电流收集。

优选地，由于该活塞处于所述缸体中用于所述预定接触力的基准位置，所以气动致动器被设计成气动缓冲活塞在其基准位置周围的、超过预定中心运动范围的运动。因而，该气动致动器使得可以气动缓冲弓头绕基准位置的低振幅振动。这样一种运动范围具有零刚度，并且这提高了受电弓的动力学特性。

优选地，该气动致动器被设计成气动地和机械地缓冲活塞的不落入确定的中心运动范围内的运动，。因而，在不将机械刚度偏压至超过该中心范围的情形下，活塞在该缸体中自由地运动，机械刚度仅用于帮助气动缓冲。因而，气动致动器具有多个刚度等级。

根据本发明的另一方面，由于该受电弓包括下列气动框架悬架，该气动框架悬架被布置成相对轨道车辆移动框架，所以该受电弓包括第一气动回路，其将气动框架悬架连接至气动致动器。能够有利地使用该机械框架悬架的气动供应，以便向该气动致动器提供动力，这允许形成更紧凑的受电弓。这在气动框架悬架的气动压力取决于轨道车辆的行驶速度时非常有利，因而该气动致动器受益于这种相关性。

优选地，由于该盒状体包括气动冲击检测装置，所以该受电弓包括第二气动回路，其将气动冲击检测装置连接至气动致动器。一部分现有气动供应回路通过对其主要功能的转移而被撤销，以便向气动致动器提供动力。因而，可以通过限制结构变体的数目最优化现有受电弓。

附图说明

通过阅读下文作为实例单独给出的说明书，并且参考附图，将更好地理解本发明，其中：

图1是沿铁轨行驶的轨道车辆的示意图，受电弓被安装在车辆的顶上；

图2是根据现有技术的受电弓的透视图；

图3示出根据弓头的垂直位移，根据现有技术的受电弓弓头在接触网的接触导线上的接触力变化；

图4是根据本发明的受电弓的示意图；

图5a是根据本发明的受电弓弓头悬架的示意性横截面图；

图5b示出根据弓头的垂直位移的所述气动悬架的表观刚度的变化；和

图6是弓头悬架另一实施例的示意性横截面图。

具体实施方式

参考图4，根据本发明的受电弓5包括：框架51，其被安装在轨道车辆1的驱动单元顶上；和弓头52，其连接至所述框架51，并且与在铁轨上方延伸的接触网的接触导线3接触，轨道车辆1沿着该铁轨运动。在该实例中，受电弓5的框架51被铰接，并且包括：下部511，通常称为“主框架”；上部512，通常称为“辅框架”。受电弓5的这种框架51是传统的，并且被本领域的技术人员熟知。

受电弓5包括气动框架悬架53，其在该情形下为气垫53，且布置成关于轨道车辆1的顶展开和折叠受电弓5的框架51。气动框架悬架53使得补偿轨道车辆1的顶和接触网的接触导线3之间的高度变化成为可能，该高度变化振幅高，并且频率低（范围为1-2Hz）。气垫53中的气动压力优选地取决于轨道车辆1的速度，以便受电弓5在接触导线3上的接触力F随着速度根据力标准增大而变得更大。例如，对于300km/h的速度，当前标准指定受电弓5在接触导线3上的平均接触力F_moy约为150N。

如图4所示，受电弓5包括弓头悬架，其将弓头52连接至框架51的顶部，以补偿低振幅和高频率的偏离，该高频率大于10Hz。根据本发明的弓头悬架为两个气动致动器6的形式，每个气动致动器6占用的空间量都与根据现有技术的弹簧盒相同，以便可安装在现有受电弓上，以代替现有弹簧盒。

在该实例中，受电弓5包括第一气动供应回路54，其将气动致动器6连接至气垫53。因而，为了控制气动致动器6中的气动压力P，为气垫53使用当前相关性。为此，第一气动供应回路54可包括减压阀（未示出），以便使气垫53的气动压力适应气动致动器6的压力P。

优选地，弓头52包括气动冲击检测装置55（图4），其适合当弓头52接收冲击时就折叠受电弓5。这样一种安全装置被本领域的技术人员所熟知，并且为根据弓头52的长度延伸的气动线路的形式，并且被连接至气动框架悬架53。在弓头52受冲击的情况下，气动线路被刺穿，并且这降低了气动框架悬架53中的气动压力，以及导致受电弓框架51在驱动单元的顶上折叠。根据本发明并且参考图4，受电弓5包括第二气动回路56，其将气动冲击检测装置55连接至气动致动器6。因而撤除一部分现有气动回路，以向气动致动器6提供动力。这使得更容易将所述致动器并入受电弓5，从而代替现有技术的弹簧盒。

参考图5a，其示出根据本发明的气动致动器6的横截面图，每个气动致动器6都包括：致动器缸体7，其刚性地连接至受电弓框架51；和活塞8，其以平移的方式安装在所述缸体7内，并且刚性地连接至受电弓的弓头52。

致动器缸体7在垂直方向延伸，并且具有圆形横截面。致动器活塞8包括作为其一部分的杆件81，其连接至安装在所述缸体7中的圆形盘82，杆件81适合从缸体7的上水平面73（图5a），在缸体73外以垂直平移的方式运动。在该实例中，如图5a所示，杆件81由刚性连接至缸体7的上平面73的滚珠轴承罩9以垂直平移的方式引导。当然，各种方法都将能够引导杆件81。

活塞8在缸体7内的冲程已经被标为图5b中的附图标记d，并且该冲程由缸体7的端面73、74限制，如图5a所示，中线基准位置d₀被定义为缸体7的一半高度。活塞8的盘82使得可能在缸体7内，在盘82和缸体7的上平面73之间限定上气动室61，并且在盘82和缸体7的下平面74之间限定下气动室62。控制各种气动室61、62中的气体压力P，在该情形下气体为空气，以便允许随着活塞8在缸体7内上升和下降而缓冲。

在该实例中，气动致动器6的上室61和下室62两者中的气体压力P相同，如图5a所示，当活塞盘82处于中线基准位置d₀时，上室61和下室62具有相同的体积。由于活塞杆81延伸到缸体7的上室61中，所以上室61中的气体可用体积比下室62小。这建议通过下列等式确定施加于活塞盘82的向上垂直推力F（即，弓头52的接触力F）：

F=P*（S-s）

其中：

-  P相应于每个室61、62中的空气压力；

-  S相应于缸体7的横截面的表面积；和

-  s相应于活塞杆81的横截面的表面积。

气动致动器6有利地允许根据每个室61、62中的空气压力控制接触力F。优选地，设置气动致动器6中的气动压力P，以便当盘82处于中线基准位置d₀时，就在接触导线3上施加预定接触力F_moy。因而能够有利地取决于轨道车辆1的速度产生气动压力P，以改进收集，并且因而随着轨道车辆1的速度增大，提高框架51和弓头52之间的解耦。例如，图5b中的曲线示出150N的接触力F_moy，其在轨道车辆1以300km/h行驶时，由弓头52在中线位置d₀处施加。

气动致动器6气动缓冲高度中的任何低振幅变化。每个气动致动器6都补偿刚性连接至弓头52的活塞8的垂直位移。由于刚性连接至框架51的致动器的缸体7保持固定，所以弓头52和框架51解耦。

参考图5a，每个气动致动器6都进一步包括在每个气动室61、62中的机械弹簧63、64，该弹簧安装在致动器缸体7的一端。因而，每个气动致动器6都包括：上室61中的上机械弹簧63，其连接至缸体7的上平面73；和下室62中的下机械弹簧64，其连接至缸体7的下平面74。

每个机械弹簧63、64都被无预应力地安装在其气动室61、62中，并且当盘82处于其中线基准位置d₀时，每个机械弹簧63、64都不接触活塞盘82。在该实例中，如图5a所示，下和上机械弹簧64、63相同，并且当它们静止时，其长度都小于缸体7的一半高度，因而限定中心范围P₀，P₀的中心为盘82中线基准位置d₀，盘82能够在不与上或者下弹簧63、64接触的情形下，在中心范围P₀内垂直运动。如图5a和5b所示，中心范围P₀由上弹簧63的下端限制在位置-d₁处，并且由下弹簧64的上端限制在位置+d₁处。

参考图5b，其示出根据活塞7的冲程的气动致动器的接触力F，相应于接触力F斜率的气动致动器的刚度在中心范围P₀上为零，并且这改进了受电弓5的动力学特性。

在该实例中，上和下机械弹簧63、64的刚度范围为500-1500N/m，优选600N/m，与根据现有技术的刚度约为3000N/m的机械弹簧相比，该刚度更低。这种低刚度机械弹簧63、64使得补偿具有超过中心范围P₀的振幅的接触导线3的高度的任何变化成为可能。这种弹簧63、64有助于使中振幅变化的框架51和弓头52的解耦比较容易，并且这提高了受电弓5的动力学特性。实际上，气动致动器6的气动压力P排除了对削弱受电弓5动力学特性的高刚度弹簧的需求。优选地，上和下弹簧63、64具有相同的刚度，但是为了促进弓头52向上或者向下运动，该刚度也可以不同。

如图5a所示，分别经供应开口71、72向上和下室61、62供应气体，供应开口71、72分别被布置在缸体7的垂直壁中、处于相对缸体7内的盘82的中线基准位置d₀限定的供应间距-d₂、+d₂处。因而，如图5a和5b所示，当盘82从中线位置移开的距离大于供应间距d₂时，盘82就在上和下邻接位置-d₃、+d₃处邻接缸体7的端面73、74。

特别参考图5b，气动致动器6限定用于缓冲弓头52位移的多个接触力范围：

-  中心范围P₀，其被限定在-d₁/+d₁之间，基本上气动加零刚度，通过气动室61、62中的气动压力确定接触力F_moy；

-  正弹簧范围+P₁，其被限定在+d₁/+d₂之间，气动缓冲与对应于位于下室62中的下弹簧64的刚度的低刚度组合；

-  负弹簧范围-P₁，其被限定在-d₂/-d₁之间，气动缓冲与对应于位于上室61中的上弹簧63的刚度的低刚度组合；

-  正邻接范围+P2，其被限定在+d₂/+d₃之间，两个供应开口71、72的气动缓冲与位于下室62中的下弹簧64的刚度组合；

-  负邻接范围-P2，其被限定在-d₃/-d₂之间，两个供应开口71、72的气动缓冲与位于上室63中的上弹簧63的刚度组合。

邻接范围+P2、-P2允许确保在由机械弹簧63、64的刚度引起的接触力和与致动器缸体7的端面73、74接触的接触力之间的过渡。

已经示出在气动室61、62中具有相同的压力的气动致动器6。当然，气动室61、62中的压力可以不同，并且能够独立地控制，以便最小化受电弓5的接触力的波动。

已经示出气动致动器6，经供应开口71、72向该气动致动器的每个气动室61、62提供动力。当然，致动器6的气动供应也可以不同。例如，参考图6，能够在活塞盘82和缸体7的内表面之间布置间隙11，以允许两室61、62之间的漏气率，因而仅向两室61、62中的其中之一提供动力。因而计算出该漏气率，以得到目标缓冲。优选地，在盘82的垂直开口84中安装校准单向阀83（图6），以提高缓冲动力学特性，优选地，该缓冲为粘滞的。

根据本发明的具有机械弹簧63、64的气动致动器6使得可能不仅获得弓头悬架52的目标刚度，而且也调节该悬架的缓冲。该缓冲是这样一个参数，随着受电弓5结合接触网接触导线3，缓冲强烈地影响受电弓5的动力学特性。通过将接头10刚性地连接到缸体7的上平面73中，能够有利地将该缓冲参数化，如图6所示，活塞杆81通过优选为干摩擦的摩擦力在所述接头10内垂直平移。根据目标缓冲，选择接头10的材料，例如，其由弹性体或者石墨制成。也可在活塞盘82和缸体7的内表面之间布置间隙11，以允许两室61、62之间的泄漏率，以便获得粘滞缓冲。通过相同的方式，也能够在盘82的垂直开口84中安装单向阀83，以便随着活塞8在缸体7内上升或者下降，促进不同的缓冲。

Claims (10)

1.一种受电弓（5），用于在接触导线（3）和轨道车辆（1）之间传输电能，所述受电弓（5）包括：至少一个框架（51），所述框架（51）计划安装在轨道车辆（1）上；弓头（52），所述弓头（52）计划与所述接触导线（3）接触；和弓头悬架，所述弓头悬架安装在所述框架（51）和所述弓头（52）之间，所述受电弓的特征在于，弓头悬架包括至少一个气动致动器（6），所述至少一个气动致动器（6）包括：缸体（7），所述缸体（7）刚性地连接至所述框架（51）；和活塞（8），所述活塞（8）刚性地连接至所述弓头（52），并且以平移方式安装在所述缸体（7）内，以将所述缸体（7）的体积划分为上气动室（61）和下气动室（62），每个气动室（61、62）都包括缓冲所述活塞（8）移动的加压气体。

2.根据权利要求1所述的受电弓，其中至少一个所述气动室（61、62）包括机械弹簧（63、64）。

3.根据权利要求2所述的受电弓，其中所述机械弹簧（63、64）自由安装在所述气动室（61、62）中。

4.根据权利要求2或者权利要求3所述的受电弓，其中所述机械弹簧（63、64）具有介于500-1500N/m之间的刚度，优选等于600N/m。

5.根据权利要求1-4中的任何一项所述的受电弓，其中所述至少一个气动室（61、62）包括至少一个布置在所述缸体（7）中的气动供应开口（71、72）。

6.根据权利要求1-5中的任何一项所述的受电弓，其中设置所述气动致动器（6）中的气动压力，以在所述接触导线（3）上施加预定接触力（F_moy）。

7.根据权利要求6所述的受电弓，其中，由于所述活塞（8）处于所述缸体（7）中用于所述预定接触力（F_moy）的基准位置（d₀），所述气动致动器（6）被设计成对活塞（8）在其基准位置（d₀）周围的超过预定中心运动范围(P₀)的运动进行气动缓冲。

8.根据权利要求7所述的受电弓，其中所述气动致动器（6）被设计成气动和机械缓冲活塞（8）不处于所述预定中心运动范围（P₀）的运动。

9.根据权利要求1-8中的任何一项所述的受电弓，其中，由于所述受电弓（5）包括气动框架悬架（53），而且所述气动框架悬架（53）被布置成相对轨道车辆移动所述框架（51），所以所述受电弓（5）包括第一气动回路（54），所述第一气动回路（54）将所述气动框架悬架（53）连接至所述气动致动器（6）。

10.根据权利要求1-9中的任何一项所述的受电弓，其中，由于所述弓头（52）包括气动冲击检测装置（55），所以受电弓（5）包括第二气动回路（56），所述第二气动回路将气动冲击检测装置（55）连接至所述气动致动器（6）。

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