1? 雙源無(wú)軌電車(chē)集電器概述

1.1? 集電器功能

集電器是雙源無(wú)軌電車(chē)從架空線網(wǎng)上獲得電能的裝置，采用滑動(dòng)接觸的方式從線網(wǎng)上取電，安裝在車(chē)輛頂部。為了進(jìn)一步提升雙源無(wú)軌電車(chē)行駛時(shí)的機(jī)動(dòng)性，獲得較大的偏線距離，雙源無(wú)軌電車(chē)采用桿式集電器。每一輛車(chē)裝配兩根桿式集電器，車(chē)輛取電時(shí)分別與架空線網(wǎng)上的正負(fù)線滑動(dòng)接觸。由于集電器是雙源無(wú)軌電車(chē)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(dòng)升降桿功能。

絕緣性能是車(chē)輛安全使用的基本要求，由于集電器整體暴露在車(chē)頂部位，通常要求其具備三級(jí)絕緣性能，以保證車(chē)輛的安全使用。其他四個(gè)方面是保證集電器可靠工作的性能要求，集電頭對(duì)線網(wǎng)觸線的壓力過(guò)大會(huì)加重線網(wǎng)磨損，壓力過(guò)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(shí)不影響周邊；偏線距離可提高車(chē)輛的機(jī)動(dòng)性能，車(chē)輛在實(shí)際運(yùn)行中的偏線距離與車(chē)速有關(guān)，隨車(chē)速的增大而減??；自動(dòng)升降桿功能是為了提高雙源無(wú)軌電車(chē)的機(jī)動(dòng)性能和運(yùn)行效率。

1.2? 結(jié)構(gòu)及工作原理

雙源無(wú)軌電車(chē)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(dòng)，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(duì)線網(wǎng)的保護(hù)作用，同時(shí)要求集電頭安裝有護(hù)殼防刮線。

集電桿早期是由無(wú)縫鋼管制成，上端漸細(xì)，以減小自重和擺動(dòng)慣性，連接集電頭的高壓導(dǎo)線自集電桿內(nèi)穿過(guò)，集電桿上半段包有絕緣防護(hù)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(wú)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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(guò)桿與雙腳

叉形器連為一整體，并可對(duì)橫軸作垂直面的轉(zhuǎn)動(dòng)，集電器對(duì)觸線的壓力是通過(guò) 2 個(gè)拉力彈簧調(diào)節(jié)桿來(lái)實(shí)現(xiàn)，集電器的自由高度是通過(guò)集電器座上的限位

機(jī)構(gòu)（彈簧限位器、高度調(diào)節(jié)螺栓等組成）實(shí)現(xiàn)的。繩箱或拉繩用于手動(dòng)拉升集電桿。拉繩用來(lái)通過(guò)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(lái)收、放拉繩，繩箱上設(shè)有棘輪機(jī)構(gòu)，可限制集電器脫線時(shí)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(jī)構(gòu)和水平旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)兩部分組成，升降機(jī)構(gòu)由氣缸、推動(dòng)臂和滑輪組成，水平旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)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(guò)程：駕駛員解除降桿開(kāi)關(guān)（關(guān)閉降落閥門(mén)），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(shí)現(xiàn)升桿。在升桿過(guò)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(dòng)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(guò)程：當(dāng)駕駛員接通降落閥時(shí)，壓縮空氣經(jīng)電磁閥進(jìn)入升降氣缸 , 使活塞桿外移，經(jīng)推動(dòng)臂推動(dòng)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(guò)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(chē)頂后部的集電桿托架上。完成降桿動(dòng)作后，接通鎖定閥門(mén)，壓縮空氣經(jīng)電磁閥進(jìn)入水平旋轉(zhuǎn)鎖定氣缸，推動(dòng)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(chē)過(guò)程中集電桿左右擺動(dòng)。

1.3? 應(yīng)用問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行的雙源無(wú)軌電車(chē)，其集電系統(tǒng)多為上個(gè)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(dòng)系統(tǒng)，使用氣缸推動(dòng)集電器與觸網(wǎng)分離，并使用機(jī)械裝置保證集電器回歸零位，在集電器進(jìn)行升桿搭線時(shí)，需要司機(jī)人工對(duì)位甚至下車(chē)手工搭線，不僅僅在國(guó)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(guò)電磁閥控制氣缸的進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)集電桿的升降動(dòng)作，依靠集電桿自身的重力及大簧的拉力實(shí)現(xiàn)集電桿自動(dòng)回到車(chē)頂中部位置，無(wú)論是結(jié)構(gòu)還是性能都顯落后，尤其是對(duì)升、降桿動(dòng)作的控制，比較生硬，對(duì)線網(wǎng)上的捕捉器和車(chē)輛頂部的收桿座沖擊較大，對(duì)集電器自身的影響也較大，使得集電系統(tǒng)故障率相對(duì)比較高。車(chē)輛日常運(yùn)行過(guò)程中，在捕捉線網(wǎng)時(shí)對(duì)車(chē)輛停放位置要求十分苛刻，自動(dòng)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(chē)輛運(yùn)行效率，絕大部分駕駛員采取直接下車(chē)進(jìn)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(duì)駕駛員的人身安全帶來(lái)了不利因素，隨著車(chē)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(chē)輛技術(shù)發(fā)展步伐的趨勢(shì)。

目前在雙源無(wú)軌電車(chē)上應(yīng)用的集電器都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)智能化控制，對(duì)自動(dòng)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(duì)較高，因此，研究智能型集電器對(duì)雙源無(wú)軌電車(chē)的技術(shù)發(fā)展有著深遠(yuǎn)意義。為此，我們重點(diǎn)對(duì)雙源無(wú)軌電車(chē)集電器自動(dòng)捕捉線網(wǎng)技術(shù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)由此開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。

2? 智能型集電器設(shè)計(jì)

集電器線網(wǎng)捕捉和升桿、降桿控制是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)自動(dòng)捕捉的過(guò)程中，需對(duì)集電桿的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行一系列的測(cè)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(dòng)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(shí)別，將集電桿的狀態(tài)設(shè)定為六種，見(jiàn)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(qiáng)制升桿狀態(tài)、降桿狀態(tài)，具體定義如下：

零位狀態(tài)：機(jī)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(kāi)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(dòng)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(jī)觸發(fā)升桿指令，相機(jī)檢測(cè)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(yùn)動(dòng)曲線；強(qiáng)制升桿狀態(tài)：橫擺電機(jī)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(jī)帶動(dòng)集電桿回歸零位，再降到收桿座內(nèi)。

2.1? 自動(dòng)捕捉設(shè)計(jì)

主要控制策略：司機(jī)依據(jù)車(chē)輛運(yùn)行需求向車(chē)頭控制器發(fā)送升桿需求指令，車(chē)頭控制器將采集到的指令以及通過(guò)整車(chē)控制器采集到的車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)給姿態(tài)控制器，姿態(tài)控制器對(duì)集電桿所處狀態(tài)進(jìn)行采集檢測(cè)，同時(shí)相機(jī)控制器對(duì)“M 捕捉器”進(jìn)行識(shí)別，如果姿態(tài)控制器及相機(jī)控制器檢測(cè)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(jī)控制器發(fā)送動(dòng)作響應(yīng)指令，此時(shí)，收桿座打開(kāi)，集電桿升起開(kāi)始進(jìn)行捕捉動(dòng)作，整個(gè)過(guò)程中，相機(jī)控制器對(duì)集電桿的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)閥島控制器及橫擺電機(jī)控制器進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，如果升桿捕捉到位，則能檢測(cè)到線網(wǎng)充電信息，整個(gè)捕捉動(dòng)作完成，否則此次捕捉失敗，結(jié)束此次捕捉動(dòng)作。

升桿捕捉過(guò)程中，如果姿態(tài)控制器檢測(cè)到集電桿處于非零位狀態(tài)，則需再次對(duì)集電桿狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)姿態(tài)控制器將檢測(cè)結(jié)果反饋給車(chē)頭控制器及顯示器，從而告知司機(jī)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(duì)集電桿狀態(tài)及“M 捕捉器”識(shí)別超時(shí)，則直接返回到升桿需求指令步驟，開(kāi)始重新進(jìn)行檢測(cè)，直至完成，自動(dòng)捕捉控制流程如圖 3 所示。

2.2? 降桿鎖定設(shè)計(jì)

主要控制策略：司機(jī)向車(chē)頭控制器發(fā)送降桿需求指令，車(chē)頭控制器將采集到的指令以及通過(guò)整車(chē)控制器采集到的車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)給姿態(tài)控制器，姿態(tài)控制器對(duì)集電桿所處狀態(tài)進(jìn)行采集檢測(cè)，如果姿態(tài)控制器檢測(cè)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(jī)控制器發(fā)送動(dòng)作響應(yīng)指令，此時(shí)，收桿座打開(kāi)，集電桿開(kāi)始下降動(dòng)作，整個(gè)過(guò)程中，相機(jī)控制器對(duì)集電桿的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)閥島控制器及橫擺電機(jī)控制器進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，當(dāng)集電桿下降至安全高度時(shí)，橫擺電機(jī)開(kāi)始執(zhí)行回位動(dòng)作，當(dāng)檢測(cè)到集電桿到達(dá)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(dòng)作結(jié)束。

降桿過(guò)程中，若姿態(tài)控制器檢測(cè)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(duì)集電桿狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)姿態(tài)控制器將檢測(cè)結(jié)果反饋給車(chē)頭控制器及顯示器，從而告知司機(jī)集電桿處于非升起狀態(tài)。在集電桿下降時(shí)，如果未下降至安全高度，則再次進(jìn)行降桿動(dòng)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(cè)時(shí)，若檢測(cè)到未達(dá)到零位狀態(tài)，則繼續(xù)由橫擺電機(jī)進(jìn)行回位調(diào)整動(dòng)作，直至回到零位狀態(tài)，若在對(duì)零位狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)超時(shí)，則執(zhí)行機(jī)械回位動(dòng)作，即收桿座關(guān)閉鎖定，集電桿不再下降，同時(shí)將動(dòng)作結(jié)果反饋給顯示器，從而告知司機(jī)，降桿鎖定控制流程如圖 4所示。

3? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能型集電器機(jī)械結(jié)構(gòu)是在充分參照原有雙源無(wú)軌電車(chē)集電器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在設(shè)計(jì)過(guò)程中以集電器運(yùn)行實(shí)際狀況為出發(fā)點(diǎn)，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(jī)構(gòu)、集電桿拉簧等主要部件上進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，確保了集電器智能化的實(shí)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(dòng)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(jī)構(gòu)的變化進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，變動(dòng)不是很大；此次智能集電器的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在自升型執(zhí)行器總成及氣動(dòng)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(chē)輛設(shè)計(jì)要求，可保證整車(chē)*高不超過(guò) 3.5m；保留雙源無(wú)軌電車(chē)集電系統(tǒng)三級(jí)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(jī)采用永磁同步電機(jī)，一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊。電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，慣量小、扭矩大，對(duì)桿零阻力、不脫線；位置伺服控制，主動(dòng)橫向擺動(dòng)，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(dòng)系統(tǒng)的絕緣性；位置伺服控制，動(dòng)作柔和可控，實(shí)時(shí)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(hù)，兼容現(xiàn)有線網(wǎng)和捕捉器。

3.3? 氣動(dòng)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(jī)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(jìn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分考慮了攝像頭和吹氣機(jī)構(gòu)的安裝位置，以及集電桿落下時(shí)能有效防止集電桿絕緣層破損的問(wèn)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(jī)構(gòu)的位置安排，保證吹氣機(jī)構(gòu)可以有效去除鏡頭前的雨水和污物，又通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)，證明了所選位置的合理性。然后選取 D型 V 帶作為降桿時(shí)的緩沖物，有效保護(hù)了集電桿的絕緣層，且 V 帶耐老化性較好，可長(zhǎng)時(shí)間使用，提高了緩沖功能的可靠性。

翻鉤組件：翻鉤組件機(jī)構(gòu)選用氣動(dòng)方式，其動(dòng)作控制由閥島總成統(tǒng)一進(jìn)行。選取四連桿機(jī)構(gòu)，采用蟹爪式的動(dòng)作形式，在集電桿搭線工作時(shí)，翻鉤機(jī)構(gòu)保持打開(kāi)狀態(tài)，降桿時(shí)閥島控制機(jī)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(jī)構(gòu)：吹氣機(jī)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(shí)，保證圖像識(shí)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(huì)因生銹而導(dǎo)致功能失效，提高了吹氣機(jī)構(gòu)的可靠性。吹氣嘴的選擇是通過(guò)模擬實(shí)際淋雨情況進(jìn)行多種形式氣嘴試驗(yàn)*終確定的，該氣嘴在試驗(yàn)條件下可有效去除鏡頭前的雨水，且通過(guò)實(shí)際樣車(chē)測(cè)試，功能滿足使用要求。