1? 雙源無軌電車集電器概述

1.1? 集電器功能

集電器是雙源無軌電車從架空線網(wǎng)上獲得電能的裝置，采用滑動接觸的方式從線網(wǎng)上取電，安裝在車輛頂部。為了進一步提升雙源無軌電車行駛時的機動性，獲得較大的偏線距離，雙源無軌電車采用桿式集電器。每一輛車裝配兩根桿式集電器，車輛取電時分別與架空線網(wǎng)上的正負(fù)線滑動接觸。由于集電器是雙源無軌電車從架空線網(wǎng)上取電的特殊裝置，因此其在性能上有著特殊的要求，主要包括：絕緣性能、集電頭觸線壓力、集電頭*大高度、偏線距離和自動升降桿功能。

絕緣性能是車輛安全使用的基本要求，由于集電器整體暴露在車頂部位，通常要求其具備三級絕緣性能，以保證車輛的安全使用。其他四個方面是保證集電器可靠工作的性能要求，集電頭對線網(wǎng)觸線的壓力過大會加重線網(wǎng)磨損，壓力過小易造成脫線或滑塊與觸線導(dǎo)電**；集電頭*大高度可確保集電器處于自由狀態(tài)時不影響周邊；偏線距離可提高車輛的機動性能，車輛在實際運行中的偏線距離與車速有關(guān)，隨車速的增大而減??；自動升降桿功能是為了提高雙源無軌電車的機動性能和運行效率。

1.2? 結(jié)構(gòu)及工作原理

雙源無軌電車集電器主要由集電頭、集電桿、集電座、繩箱或拉繩和升降桿裝置等構(gòu)成，集電器的構(gòu)造如圖 1 所示。

集電頭是集電器與線網(wǎng)觸線的接觸部分，采用滑靴式球型關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) , 可在水平方向任意轉(zhuǎn)動，在垂直方向上可做仰、俯角度變換（各為 20°），頭部由兩塊夾板（靴幫）構(gòu)成，便于更換滑塊。集電頭與集電桿的連接處必須采用絕緣材料連接，既可作為**絕緣，又起到對線網(wǎng)的保護作用，同時要求集電頭安裝有護殼防刮線。

集電桿早期是由無縫鋼管制成，上端漸細(xì)，以減小自重和擺動慣性，連接集電頭的高壓導(dǎo)線自集電桿內(nèi)穿過，集電桿上半段包有絕緣防護層，防止集電頭脫線后集電桿搭接連線網(wǎng)正負(fù)線造成線網(wǎng)短路。目前無縫鋼管已由鋁合金替代，不但減輕了集電桿自身的重量，還由集電桿本身取代了連接集電頭的高壓導(dǎo)線。集電座是集電桿的支撐部分，包括水平旋轉(zhuǎn)、垂直方向運動兩部分，水平旋轉(zhuǎn)部分是由帶軸頭的底座和單列圓錐滾子軸承套上轉(zhuǎn)動的外殼組成，可

使集電桿沿座中心在縱軸兩側(cè)各 110°的范圍內(nèi)作水平旋轉(zhuǎn)。垂直方向運動部分由桿、夾持器、雙腳叉形器、橫軸和拉簧等構(gòu)成，夾持器通過桿與雙腳

叉形器連為一整體，并可對橫軸作垂直面的轉(zhuǎn)動，集電器對觸線的壓力是通過 2 個拉力彈簧調(diào)節(jié)桿來實現(xiàn)，集電器的自由高度是通過集電器座上的限位

機構(gòu)（彈簧限位器、高度調(diào)節(jié)螺栓等組成）實現(xiàn)的。繩箱或拉繩用于手動拉升集電桿。拉繩用來通過人力從線網(wǎng)上拉下集電桿，或把集電桿搭接到線網(wǎng)上。繩箱用來收、放拉繩，繩箱上設(shè)有棘輪機構(gòu)，可限制集電器脫線時的高度。

集電桿升降裝置安裝在集電座的旋轉(zhuǎn)器上，由升降機構(gòu)和水平旋轉(zhuǎn)鎖定機構(gòu)兩部分組成，升降機構(gòu)由氣缸、推動臂和滑輪組成，水平旋轉(zhuǎn)鎖定機構(gòu)由氣缸和推桿摩擦片組成。

集電器的工作原理如下：

升桿過程：駕駛員解除降桿開關(guān)（關(guān)閉降落閥門），升降氣缸排氣（氣缸內(nèi)氣體經(jīng)電磁閥排入大氣），集電桿拉簧將集電桿拉起，實現(xiàn)升桿。在升桿過程完成前，水平旋轉(zhuǎn)鎖定氣缸一直處于鎖定狀態(tài)，完成升桿動作后，解除旋轉(zhuǎn)器鎖定狀態(tài)，集電桿恢復(fù)自由旋轉(zhuǎn)功能，可以正常應(yīng)用線網(wǎng)電源行駛。降桿過程：當(dāng)駕駛員接通降落閥時，壓縮空氣經(jīng)電磁閥進入升降氣缸 , 使活塞桿外移，經(jīng)推動臂推動集電桿克服集電桿拉簧拉力 , 使集電桿在左右45°范圍內(nèi)降落，通過下滑輪沿旋轉(zhuǎn)座上的滑道回歸中心位置，*終集電桿降落在車頂后部的集電桿托架上。完成降桿動作后，接通鎖定閥門，壓縮空氣經(jīng)電磁閥進入水平旋轉(zhuǎn)鎖定氣缸，推動活塞桿，使之與連接的摩擦片緊壓在旋轉(zhuǎn)器上，鎖定旋轉(zhuǎn)器，避免行車過程中集電桿左右擺動。

1.3? 應(yīng)用問題

目前國內(nèi)運行的雙源無軌電車，其集電系統(tǒng)多為上個世紀(jì) 80 年代產(chǎn)品，均是在彈簧蓄力集電器的基礎(chǔ)上，依靠氣動系統(tǒng)，使用氣缸推動集電器與觸網(wǎng)分離，并使用機械裝置保證集電器回歸零位，在集電器進行升桿搭線時，需要司機人工對位甚至下車手工搭線，不僅僅在國內(nèi)，即使在歐洲的瑞士、匈牙利等地，其在用的集電器也是類似結(jié)構(gòu)。

該種集電器的控制方式主要為：通過電磁閥控制氣缸的進排氣，利用氣體壓縮產(chǎn)生的壓力克服集電桿大簧的拉力來實現(xiàn)集電桿的升降動作，依靠集電桿自身的重力及大簧的拉力實現(xiàn)集電桿自動回到車頂中部位置，無論是結(jié)構(gòu)還是性能都顯落后，尤其是對升、降桿動作的控制，比較生硬，對線網(wǎng)上的捕捉器和車輛頂部的收桿座沖擊較大，對集電器自身的影響也較大，使得集電系統(tǒng)故障率相對比較高。車輛日常運行過程中，在捕捉線網(wǎng)時對車輛停放位置要求十分苛刻，自動捕捉成功率非常低，從而導(dǎo)致線網(wǎng)上的捕捉器利用率較低。為了提高車輛運行效率，絕大部分駕駛員采取直接下車進行人工搭桿的方式，而在路面交通狀況日益復(fù)雜的情況下，這對駕駛員的人身安全帶來了不利因素，隨著車輛技術(shù)的不斷發(fā)展，目前的集電系統(tǒng)已呈現(xiàn)出跟不上車輛技術(shù)發(fā)展步伐的趨勢。

目前在雙源無軌電車上應(yīng)用的集電器都沒有實現(xiàn)智能化控制，對自動捕捉線網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用基本上處于空白階段，而且再用集電系統(tǒng)的故障率相對較高，因此，研究智能型集電器對雙源無軌電車的技術(shù)發(fā)展有著深遠(yuǎn)意義。為此，我們重點對雙源無軌電車集電器自動捕捉線網(wǎng)技術(shù)方案進行了設(shè)計，并對由此開發(fā)的產(chǎn)品進行了應(yīng)用試驗。

2? 智能型集電器設(shè)計

集電器線網(wǎng)捕捉和升桿、降桿控制是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)，在實現(xiàn)線網(wǎng)自動捕捉的過程中，需對集電桿的實時狀態(tài)進行一系列的測算和信息轉(zhuǎn)化，結(jié)合相應(yīng)的邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)變成集電桿的動作狀態(tài)，其中控制邏輯關(guān)系的設(shè)定非常重要。

為了便于分析和識別，將集電桿的狀態(tài)設(shè)定為六種，見狀態(tài)分析圖（圖 2），分別是：零位狀態(tài)、觸線位狀態(tài)、自由位狀態(tài)、升桿捕獲狀態(tài)、強制升桿狀態(tài)、降桿狀態(tài)，具體定義如下：

零位狀態(tài)：機構(gòu)處于收桿座內(nèi)，收桿座關(guān)閉，集電桿的高度在設(shè)定閾值范圍內(nèi)，行程開關(guān)到位；觸線位狀態(tài)：集電桿處于觸線網(wǎng)上，集電桿的高度與角度都在設(shè)定閾值內(nèi)（線網(wǎng)高低波動范圍）；自由位狀態(tài)：集電桿非零位與觸線位的靜止?fàn)顟B(tài)；升桿捕獲狀態(tài)：集電桿處于零位狀態(tài)，司機觸發(fā)升桿指令，相機檢測到“M”捕捉器坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)發(fā)給姿態(tài)控制器，姿態(tài)控制器換算出捕捉器的位置，并規(guī)劃出合適的運動曲線；強制升桿狀態(tài)：橫擺電機鎖住零位位置，集電桿保持上升；降桿狀態(tài)：集電桿先降到安全高度，橫擺電機帶動集電桿回歸零位，再降到收桿座內(nèi)。

2.1? 自動捕捉設(shè)計

主要控制策略：司機依據(jù)車輛運行需求向車頭控制器發(fā)送升桿需求指令，車頭控制器將采集到的指令以及通過整車控制器采集到的車輛運行狀態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)給姿態(tài)控制器，姿態(tài)控制器對集電桿所處狀態(tài)進行采集檢測，同時相機控制器對“M 捕捉器”進行識別，如果姿態(tài)控制器及相機控制器檢測結(jié)果均符合升桿捕捉條件，則姿態(tài)控制器向閥島控制器、橫擺電機控制器發(fā)送動作響應(yīng)指令，此時，收桿座打開，集電桿升起開始進行捕捉動作，整個過程中，相機控制器對集電桿的狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并通過閥島控制器及橫擺電機控制器進行適時調(diào)整，如果升桿捕捉到位，則能檢測到線網(wǎng)充電信息，整個捕捉動作完成，否則此次捕捉失敗，結(jié)束此次捕捉動作。

升桿捕捉過程中，如果姿態(tài)控制器檢測到集電桿處于非零位狀態(tài)，則需再次對集電桿狀態(tài)進行檢測，同時姿態(tài)控制器將檢測結(jié)果反饋給車頭控制器及顯示器，從而告知司機集電桿處于非零位狀態(tài)，需先將集電桿調(diào)整為零位狀態(tài)。如果對集電桿狀態(tài)及“M 捕捉器”識別超時，則直接返回到升桿需求指令步驟，開始重新進行檢測，直至完成，自動捕捉控制流程如圖 3 所示。

2.2? 降桿鎖定設(shè)計

主要控制策略：司機向車頭控制器發(fā)送降桿需求指令，車頭控制器將采集到的指令以及通過整車控制器采集到的車輛運行狀態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)給姿態(tài)控制器，姿態(tài)控制器對集電桿所處狀態(tài)進行采集檢測，如果姿態(tài)控制器檢測結(jié)果均符合降桿條件，那么姿態(tài)控制器向閥島控制器、橫擺電機控制器發(fā)送動作響應(yīng)指令，此時，收桿座打開，集電桿開始下降動作，整個過程中，相機控制器對集電桿的狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并通過閥島控制器及橫擺電機控制器進行適時調(diào)整，當(dāng)集電桿下降至安全高度時，橫擺電機開始執(zhí)行回位動作，當(dāng)檢測到集電桿到達零位狀態(tài)后，集電桿再度下降至收桿座底部，收桿座關(guān)閉并鎖定，降桿動作結(jié)束。

降桿過程中，若姿態(tài)控制器檢測到集電桿處于非升起狀態(tài)（觸線狀態(tài)和自由狀態(tài)），則需再次對集電桿狀態(tài)進行檢測，同時姿態(tài)控制器將檢測結(jié)果反饋給車頭控制器及顯示器，從而告知司機集電桿處于非升起狀態(tài)。在集電桿下降時，如果未下降至安全高度，則再次進行降桿動作，直至集電桿降至安全高度。在集電桿下降至零位狀態(tài)檢測時，若檢測到未達到零位狀態(tài)，則繼續(xù)由橫擺電機進行回位調(diào)整動作，直至回到零位狀態(tài)，若在對零位狀態(tài)進行檢測時超時，則執(zhí)行機械回位動作，即收桿座關(guān)閉鎖定，集電桿不再下降，同時將動作結(jié)果反饋給顯示器，從而告知司機，降桿鎖定控制流程如圖 4所示。

3? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能型集電器機械結(jié)構(gòu)是在充分參照原有雙源無軌電車集電器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行設(shè)計的，在設(shè)計過程中以集電器運行實際狀況為出發(fā)點，充分考慮集電器的工作效率、故障率、穩(wěn)定性等因素，著重在收桿座、壓縮氣缸、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、集電桿拉簧等主要部件上進行了重新設(shè)計，確保了集電器智能化的實現(xiàn)。

3.1? 智能集電器總成結(jié)構(gòu)

智能集電器總成主要由集電靴、氣動收桿座、集電桿、自升型執(zhí)行器總成、電控總成及底座總成構(gòu)成（圖 5）。新型智能集電器總成中的集電頭、集電桿在結(jié)構(gòu)上未做更改，仍采用現(xiàn)有的技術(shù)，集電頭為防刮線式集電頭，集電桿采用鋁合金材料；底座總成由于升降桿執(zhí)行機構(gòu)的變化進行了相應(yīng)的改進，變動不是很大；此次智能集電器的設(shè)計主要體現(xiàn)在自升型執(zhí)行器總成及氣動收桿座總成上。

3.2? 自升型執(zhí)行器總成

自升型執(zhí)行器總成兼容原有的安裝尺寸，收桿后自身高度 0.5m，按照車輛設(shè)計要求，可保證整車*高不超過 3.5m；保留雙源無軌電車集電系統(tǒng)三級絕緣模式，采用硬線控制。其主要結(jié)構(gòu)如圖 6所示。

橫擺電機采用永磁同步電機，一體化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊。電機采用外轉(zhuǎn)子設(shè)計，慣量小、扭矩大，對桿零阻力、不脫線；位置伺服控制，主動橫向擺動，集成高精度旋變，監(jiān)控集電桿角度。

豎擺系統(tǒng)采用氣壓控制，繼承了氣動系統(tǒng)的絕緣性；位置伺服控制，動作柔和可控，實時監(jiān)控，安全可靠。

自升型執(zhí)行器總成具備良好的兼容性，保持原有的集電桿、集電靴、拉簧、繩箱不變，兼容集電器原有功能不變，便于維護，兼容現(xiàn)有線網(wǎng)和捕捉器。

3.3? 氣動收桿座總成

收桿座整體結(jié)構(gòu)由三大部分組成，分別為殼體、翻鉤組件、吹氣機構(gòu)，如圖 7 所示。

殼體部分：收桿座外殼是從各種功能需求出發(fā)進行的結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分考慮了攝像頭和吹氣機構(gòu)的安裝位置，以及集電桿落下時能有效防止集電桿絕緣層破損的問題。首先，根據(jù)三維模型和二維圖紙的排布確定攝像頭和吹氣機構(gòu)的位置安排，保證吹氣機構(gòu)可以有效去除鏡頭前的雨水和污物，又通過樣機試驗，證明了所選位置的合理性。然后選取 D型 V 帶作為降桿時的緩沖物，有效保護了集電桿的絕緣層，且 V 帶耐老化性較好，可長時間使用，提高了緩沖功能的可靠性。

翻鉤組件：翻鉤組件機構(gòu)選用氣動方式，其動作控制由閥島總成統(tǒng)一進行。選取四連桿機構(gòu)，采用蟹爪式的動作形式，在集電桿搭線工作時，翻鉤機構(gòu)保持打開狀態(tài)，降桿時閥島控制機構(gòu)閉合，從而將集電桿鎖在收桿座中，有效防止集電桿意外升桿造成嚴(yán)重事故。翻鉤表面浸塑處理，防止集電桿絕緣層被破壞。

吹氣機構(gòu)：吹氣機構(gòu)功能是使用高壓氣體去除鏡頭前的雨水和污物，在雨雪等天氣時，保證圖像識別系統(tǒng)可以正常工作。所選用的氣路零件材料包括鋁合金、不銹鋼和黃銅，不會因生銹而導(dǎo)致功能失效，提高了吹氣機構(gòu)的可靠性。吹氣嘴的選擇是通過模擬實際淋雨情況進行多種形式氣嘴試驗*終確定的，該氣嘴在試驗條件下可有效去除鏡頭前的雨水，且通過實際樣車測試，功能滿足使用要求。