CN113291157A - 一种碳滑板及使用其的单碳滑板结构弓头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种碳滑板及使用其的单碳滑板结构弓头。所述碳滑板包括碳条、设于所述碳条底部的铝托架、以及在所述铝托架底部设置的ADD气道系统，所述碳条在列车运行方向上的截面呈上窄下宽的等腰梯形；所述铝托架在列车运行方向上的截面呈上宽下窄的等腰梯形；所述碳条和所述铝托架使所述碳滑板在列车运行方向上的截面呈六边形。与相关技术相比，本发明解决了时速400公里的高速动车组车顶受电弓气动性能问题，提出一种具有气动性能优良、簧上质量轻、结构强度高的单滑板结构的连续弓头，连续弓头结构设计简化以降低簧上质量提高弓头动态跟随性，其次连续弓头的流线性外形设计能够降低其阻力进而提升整弓气动性能。

Description

一种碳滑板及使用其的单碳滑板结构弓头

技术领域

本发明涉及轨道交通告诉动车受流技术领域，尤其涉及一种碳滑板及使用其的单碳滑板结构弓头。适应于高速动车组及干线电力机车、地铁轻轨等中低速车辆的受电弓应用覆盖。

背景技术

高速受电弓作为高速动车组的关键配套技术之一，弓头结构需具备低风阻、低噪声、低扰动性、高动力学性能、良好的动态跟随性以适应车辆高速下与接触网的良好受流。

近年中国高速铁路快速发展，时速400公里高速轮轨客运列车系统也已进入技术储备阶段。随着速度的不断提升，列车受到的空气动力学问题也愈发明显，研究时速400公里下受电弓气动特性以及弓网关系具有现实意义和研究价值。

根据文献《时速400公里高速列车外部流场特征及受电弓流固耦合研究》(杨振）兰州交通大学的研究内容，受电弓各部件的气动阻力不同,有大有小,拉杆占比最小,弓头占比最大,故弓头应成为为主要降阻对象；阻力占比第二位底座框架,约占34.9%,受电弓各部件的变形量从受电弓弓头向下一直到底座框架部位逐渐减小。基于上述气动仿真分析，并结合现役时速350公里的高速动车组气动性能，时速400公里高速动车组受电弓研制开发中，如何设计弓头结构和外形实现降阻降噪将对于整弓气动性能提升意义重大。

国内现役时速350公里高速动车组受电弓有单滑板结构弓头和双滑板结构弓头两种，其中源自德国STEMMANN的DSA380系列和源自奥地利SCHUNK公司的SSS400+系列受电弓均为双滑板结构弓头，而源自法国的Faiveley的CX系列受电弓采用单滑板结构，为有效降低簧上质量提升弓头动态跟随性。上述类型受电弓的弓头无一例外都采用为非连续弓头，也即为弓头的碳滑板和绝缘弓角与弓头悬挂之间为独立安装，其中碳滑板安装于弓头悬挂的弹簧盒之上，绝缘弓角固定于弓头悬挂的转轴上，这种独立安装方式不可避免需要设置转轴等零部件，从而使得弓头悬挂设计复杂且气动阻力大，很难在此基础上进一步优化气动性能以适应时速400公里高速动车组运行要求。

另外，碳条与接触网之间磨耗以电磨耗和机械磨耗形式构成，且电磨耗、机械磨耗与碳条和接触网之间的接触长度成反相关（如碳条与接车网接触长度越长，其磨耗速率越小），磨耗质量以磨耗率（即每万公里的磨耗厚度：mm/10⁴km）为考核指标。一般情况下，碳条的截面设计为矩形（如专利公告号CN204712883U公示的一种碳纤维贴面的增强受电弓复合型碳滑板），矩形截面碳条与接触网线的接触长度始终一致，从而确保了其磨耗率（mm/10⁴km）在整个寿命周期内基本一致。而实际上，碳条与接触网在初始的磨耗期内，其磨耗率会偏大，且初始磨耗期燃弧率相比较磨耗稳定期的较高，从而使得初始受流质量降低，燃弧率增加进一步增加电磨耗，从而使得磨耗寿命降低。

另外，针对本案涉及的专业名词，本领域技术人员通常认定如下：

连续弓头轮廓：指滑板及弓角整体悬挂的弓头。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有气动性能优良、结构强度高、有效降低初始磨耗期的磨耗量的碳滑板及使用其的单碳滑板结构弓头，以适应时速400公里的高速动车组。

本发明的技术方案是：一种碳滑板包括碳条、设于所述碳条底部的铝托架、以及在所述铝托架底部设置的ADD气道系统，所述碳条在列车运行方向上的截面呈上窄下宽的等腰梯形；所述铝托架在列车运行方向上的截面呈上宽下窄的等腰梯形；所述碳条和所述铝托架使所述碳滑板在列车运行方向上的截面呈六边形。

上述方案中，将碳条的截面设计为上窄下宽的等腰梯形，使碳条与接触网之间的接触长度随着磨耗逐渐增加，使碳条与接触网之间磨耗为先快后慢，从而有效降低初始磨耗期的磨耗量，缩短初始磨耗期，改善了碳条与接触网之间受流质量，增加了稳定磨耗的时长，延长了碳条的磨耗寿命。

优选的，所述碳滑板的六边形截面沿碳滑板的竖向中心线H对称。能确保弓头双向运行时气动性能相同。

粘贴铜网优选的，所述碳条的等腰梯形截面的腰的倾角设置为10~60°，所述铝托架的等腰梯形截面的腰的倾角设置为10~70°。以确保其具有良好的导风能力。

本发明还提供一种单碳滑板结构弓头， 包括弓头支撑托架和碳滑板，所述碳滑板为上述的碳滑板，所述碳滑板嵌装于所述弓头支撑托架上，使所述弓头支撑托架与所述碳滑板形成整体悬挂的连续弓头轮廓。

优选的，所述弓头支撑托架包括绝缘弓角、过渡块及滑板托架，所述过渡块将所述绝缘弓角连接于所述滑板托架的两端；所述碳滑板安装于所述滑板托架的上端面。

这种单滑板结构的连续弓头相较于单滑板结构的非连续弓头及双滑板结构的非连续弓头，在气动性能方面具有显著优势，为未来时速400公里高速动车组车顶受电弓气动外形设计提供合理可行的方案。

且在优选的技术方案中，所述碳滑板安装后，其上表面和过渡块的上表面构成连续整体的外轮廓。

优选的，所述单碳滑板结构弓头还包括安装支座，所述过渡块包括第一弓角过渡块和第二弓角过渡块，所述第一弓角过渡块连接于所述滑板托架的两端，所述第二弓角过渡块与所述第一弓角过渡块对夹固定所述绝缘弓角，使所述绝缘弓角布置在所述滑板托架的两端；所述安装支座设于所述滑板托架临近中部的底部，并与所述碳滑板的ADD气道系统一一对应，所述安装支座的内部设有用于连通所述ADD气道系统和受电弓的ADD气道的连通气道。

优选的，所述安装支座在列车运行方向上设置为椭圆的流线型弧面。以减少风阻。

优选的，所述安装支座和所述碳滑板的铝托架贴合，并在两者之间设有环形密封圈。

通过所述环形密封圈对碳滑板的ADD气道系统出气口周边进行密封，从而使得安装支座内部连通气道与碳滑板的ADD气道系统形成完整密封的气道系统，并且在于受电弓的ADD系统连接后形成功能完整的ADD系统。

优选的，所述滑板托架在列车运行方向上的截面呈V型，所述碳滑板的铝托架嵌装在所述V型截面中，所述碳滑板的碳条外露。

优选的，所述绝缘弓角为管状结构，采用玻璃纤维和树脂制成。

与相关技术相比，本发明的有益效果为：

一、摈弃双滑板结构弓头，以避免高速运行时前、后碳滑板在空气流场中的互相干扰，进而采用风阻更低的单滑板结构弓头，从而提升整个弓头气动性能；

二、在单滑板结构弓头基础上，进一步优化弓头气动外形，采用连续弓头替代非连续弓头，从而避免弓角、碳滑板独立悬挂时簧上质量增加以及气动阻力加大；

三、连续弓头采用绝缘弓角、碳滑板、弓头支撑托架以及安装支座等分体式设计，运用中碳滑板磨耗，能单独拆解更换碳滑板，运用维护简便易实现；

四、碳滑板在列车运行方向上的截面为近似六边形以实现双线运行时迎风面能充分导流降噪，其中碳条和铝托架截面分别为上、下倒置且共底近似等高的等腰梯形；

五、解决了时速400公里的高速动车组车顶受电弓气动性能问题，提出一种具有气动性能优良、簧上质量轻、结构强度高的单滑板结构的连续弓头，连续弓头结构设计简化以降低簧上质量提高弓头动态跟随性，其次连续弓头的流线性外形设计能够降低其阻力进而提升整弓气动性能。

附图说明

图1为本发明提供的碳滑板的立体结构示意图；

图2为沿图1中的A-A的剖视且平面投影的结构示意图；

图3为沿图1中的B-B的剖视且平面投影的结构示意图；

图4为本发明提供的单碳滑板结构弓头的立体结构示意图；

图5为本发明提供的单碳滑板结构弓头中的弓头支撑托架的俯视结构示意图；

图6为沿图5中的D-D的剖视示意图；

图7为沿图4中的C-C的剖视且平面投影的结构示意图；

图8为沿图4中的E-E的剖视且平面投影的结构示意图；

图9为沿图4中的F-F的剖视且平面投影的结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

如图1、图3所示，本实施例提供的一种碳滑板2包括碳条2.1、设于所述碳条2.1底部的铝托架2.8、以及在所述铝托架2.8底部设置的ADD气道系统2.4。

所述碳条2.1的材质为浸金属碳，根据气动仿真计算情况，如图2所示，所述碳条2.1在列车运行方向（迎风面）上的截面呈上窄下宽等腰梯形，其等腰梯形截面的腰的倾角设置为10~60°，优选为56.3°，以确保其具有良好的导风能力。其次，碳条设置为等腰梯形截面，能够大大改善其磨耗质量。

可将碳条2.1的等腰梯形截面的厚度设计比常规矩形截面的厚度低，从而有效降低碳条的重量和迎风阻力，进一步降低了弓头的簧上质量和空气阻力。

如图2所示，所述铝托架2.8为中空的箱型铝型材结构，其在列车运行方向上的截面呈上宽下窄等腰梯形，等腰梯形截面的腰的倾角设置为10~70°，优选为58°，以确保其具有良好的导风能力。所述碳条2.1的底面和铝托架2.8的上表面之间可通过粘贴铜网2.9粘接贴合。所述碳条2.1和所述铝托架2.8使所述碳滑板2在列车运行方向上呈六边形截面，且该六边形截面沿碳滑板2的竖向中心线H对称，以确保了弓头双向运行时气动性能相同。

如图4所示，本实施还提供一种单碳滑板结构弓头，其包括弓头支撑托架1和上述的碳滑板2。

如图5和图6所示，所述弓头支撑托架1包括绝缘弓角1.1、过渡块1.16、滑板托架1.8和安装支座1.11。所述过渡块1.16包括第一弓角过渡块1.2和第二弓角过渡块1.5。

如图4所示，所述绝缘弓角1.1布置在所述滑板托架1.8的两端，其设计为管状结构，采用玻璃纤维和树脂等绝缘材料卷制而成，其中玻璃纤维为主要承力材料。

所述第一弓角过渡块1.2和第二弓角过渡块1.5采用铝合金材料3D打印而成，其内部加工有与所述绝缘弓角1.1配合的半圆弧凹槽。所述第一弓角过渡块1.2分别通过安装螺栓1.6、1.7连接于所述滑板托架1.8的两端，所述第二弓角过渡块1.5与所述第一弓角过渡块1.2配合后通过螺栓1.3、1.4共同夹紧所述绝缘弓角1.1，从而实现三者紧固连接。两端的所述第一弓角过渡块1.2和第二弓角过渡块1.5呈旋转对称布置，如：一端的第一弓角过渡块1.2在右侧，第二弓角过渡块1.5在左侧，另一端的则第一弓角过渡块1.2在左侧，第二弓角过渡块1.5在右侧，上述的左右侧为图4所示的相对位置。

所述绝缘弓角1.1与第一弓角过渡块1.2、第二弓角过渡块1.5的上表面为圆滑过渡，使得接触网能够顺利从其上表面划过。

所述安装支座1.11设于所述滑板托架1.8临近中部的底部，其间隔设置有两个。所述安装支座1.11的内部设有连通气道1.12。

如图4所示，所述安装支座1.11在列车运行方向上设置为椭圆的流线型弧面。这种类椭圆的弧面能够减少风阻。

如图7和图8所示，所述碳滑板2安装在所述弓头支撑托架1的顶部，使所述碳滑板2与弓头支撑托架1形成连续弓头轮廓。具体为：所述滑板托架1.8在列车运行方向上的截面呈V型，由此形成安装槽，所述碳滑板2的铝托架2.8嵌装在所述安装槽中，所述碳滑板2的碳条2.1外露，成为受电弓弓头与接触网直接接触磨耗的部位。所述弓头支撑托架1除了固定并支撑所述碳滑板2外，还与受电弓的上臂、平衡杆等铰接系统铰接，通过上臂、平衡杆等铰接系统支撑托举弓头，从而实现弓头的碳滑板与接触网接触受流。

如图3、图5和图9所示，所述安装支座1.11与所述碳滑板2的ADD气道系统2.4一一对应，用于连通所述ADD气道系统2.4和受电弓的ADD气道的连通气道1.12。所述安装支座1.11的上部设有矩形凸台，该凸台与滑板托架1.8的矩形孔配合，安装时，两者之间分别通过螺栓1.9、1.10、1.13、1.14紧固连接。

如图3、5、9所示，所述碳滑板2通过自身螺栓2.2与弓头支撑托架1的滑板托架1.8连接。两者连接后所述滑板托架1.8的内壁与碳滑板2的铝托架2.8贴合。所述碳滑板2通过自身螺栓2.3、2.5、2.6、2.7与安装支座1.11连接。安装后，所述安装支座1.11的凸台和碳滑板2的铝托架2.8之间紧密贴合，实现电传导。同时，安装支座1.11的凸台的凹槽内安装有环形密封圈1.22，当安装支座1.11与碳滑板2的铝托架2.8紧密贴合后，环形密封圈1.22对碳滑板2的ADD气道系统2.4出气口周边进行密封，从而使得安装支座1.11内部的连通气道1.12与碳滑板2的ADD气道系统2.4形成完整密封的气道系统，并且在受电弓的ADD系统连接后形成功能完整的ADD系统。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种碳滑板，包括碳条（2.1）、设于所述碳条（2.1）底部的铝托架（2.8）、以及在所述铝托架（2.8）底部设置的ADD气道系统（2.4），其特征在于，所述碳条（2.1）在列车运行方向上的截面呈上窄下宽的等腰梯形；所述铝托架（2.8）在列车运行方向上的截面呈上宽下窄的等腰梯形；所述碳条（2.1）和所述铝托架（2.8）使所述碳滑板（2）在列车运行方向上的截面呈六边形。

2.根据权利要求1所述的碳滑板，其特征在于，所述碳滑板（2）的六边形截面沿碳滑板（2）的竖向中心线H对称。

3.粘贴铜网根据权利要求1所述的碳滑板，其特征在于，所述碳条（2.1）的等腰梯形截面的腰的倾角设置为10~60°，所述铝托架（2.8）的等腰梯形截面的腰的倾角设置为10~70°。

4.一种单碳滑板结构弓头，包括碳滑板（2），其特征在于，还包括弓头支撑托架（1），所述碳滑板（2）为权利要求1~3任一项所述的碳滑板，所述碳滑板（2）嵌装于所述弓头支撑托架（1）上，使所述弓头支撑托架（1）与所述碳滑板（2）形成整体悬挂的连续弓头轮廓。

5.根据权利要求4所述的单碳滑板结构弓头，其特征在于，所述弓头支撑托架（1）包括绝缘弓角（1.1）、过渡块（1.16）及滑板托架（1.8），所述过渡块（1.16）将所述绝缘弓角（1.1）连接于所述滑板托架（1.8）的两端；所述碳滑板（2）安装于所述滑板托架（1.8）的上端面。

6.根据权利要求5所述的单碳滑板结构弓头，其特征在于，所述单碳滑板结构弓头还包括安装支座（1.11），所述过渡块（1.16）包括第一弓角过渡块（1.2）和第二弓角过渡块（1.5），所述第一弓角过渡块（1.2）连接于所述滑板托架（1.8）的两端，所述第二弓角过渡块（1.5）与所述第一弓角过渡块（1.2）对夹固定所述绝缘弓角（1.1），使所述绝缘弓角（1.1）布置在所述滑板托架（1.8）的两端；所述安装支座（1.11）设于所述滑板托架（1.8）临近中部的底部，并与所述碳滑板（2）的ADD气道系统（2.4）一一对应，所述安装支座（1.11）的内部设有用于连通所述ADD气道系统（2.4）和受电弓的ADD气道的连通气道（1.12）。

7.根据权利要求6所述的单碳滑板结构弓头，其特征在于，所述安装支座（1.11）在列车运行方向上设置为椭圆的流线型弧面。

8.根据权利要求6所述的单碳滑板结构弓头，其特征在于，所述安装支座（1.11）和所述碳滑板（2）的铝托架（2.8）贴合，并在两者之间设有环形密封圈（1.22）。

9.根据权利要求6所述的单碳滑板结构弓头，其特征在于，所述滑板托架（1.8）在列车运行方向上的截面呈V型，所述碳滑板（2）的铝托架（2.8）嵌装在所述V型截面中，所述碳滑板（2）的碳条（2.1）外露。

10.根据权利要求6所述的单碳滑板结构弓头，其特征在于，所述绝缘弓角（1.1）为管状结构，采用玻璃纤维和树脂制成。

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