引言

應(yīng)對(duì)氣候變化和降低汽車尤其是重型柴油貨運(yùn)車輛的污染物排放對(duì)世界各國(guó)來(lái)說(shuō)都是一個(gè)重大的挑戰(zhàn) [1]。德國(guó)、英國(guó)和法國(guó)等歐洲國(guó)家分別宣布到 2030 年和 2040 年開(kāi)始禁售新的汽油和柴油車。2018 年 6 月中央發(fā)布了《關(guān)于**加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù) 堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見(jiàn)》，對(duì)交通運(yùn)輸行業(yè)柴油貨車污染治理提出了更高要求 [1]。而電氣化公路運(yùn)輸技術(shù)為重型貨車電氣化提供一個(gè)比現(xiàn)在純蓄電池重型貨車更經(jīng)濟(jì)的技術(shù)途徑。電氣化公路的車輛一般使用雙源動(dòng)力裝置（**源為供電網(wǎng)供電，**源為柴油機(jī)或蓄電池），車輛在電氣化公路上由供電線提供動(dòng)力并向蓄電池供電（當(dāng)**源為蓄電池時(shí)）。據(jù)相關(guān)政府官方網(wǎng)站公告，2023 年我國(guó)已建成了株洲電氣化公路示范線和大同電氣化公路及礦山運(yùn)輸系統(tǒng)示范項(xiàng)目。為助力新疆經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展，在未來(lái)幾年，新疆可能將一條長(zhǎng)約 1800 余公里的公路交通大動(dòng)脈進(jìn)行電氣化改造 [2]。可以預(yù)見(jiàn)，電氣化公路很可能在未來(lái)幾年內(nèi)會(huì)在我國(guó)興起。

1 基于電力機(jī)車受電弓技術(shù)的電氣化公路車輛受電裝置和存在問(wèn)題

現(xiàn)在我國(guó)的兩條試驗(yàn)線用的都是基于電力機(jī)車受電弓技術(shù)的電氣化公路車輛受電裝置 ( 圖 1)[1]。這種車輛的受電弓有兩個(gè)作用。一個(gè)作用是利用受電弓的寬度作為供電網(wǎng)捕捉器來(lái)用，保證供電線落入受電弓的碳滑板內(nèi)，然后由安裝在車輛上方受電弓控制裝置控制 [1]下擺動(dòng)受電弓使供電線位于碳滑板中部。另一個(gè)作用，就是車輛行駛時(shí)不可能沿絕對(duì)直線走，由于司機(jī)駕駛原因、道路原因等因素車輛會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則左右擺動(dòng)，這時(shí)由于受電弓有一定的寬度，保證供電線不會(huì)落在碳滑板外。

在實(shí)際運(yùn)行中，受電弓的碳滑板分兩種功能區(qū)，一個(gè)受電區(qū)和左右兩個(gè)捕捉區(qū)（圖 2）。受電區(qū)是在由供電網(wǎng)提供車輛動(dòng)力時(shí)的受電區(qū)，受電時(shí)供電線在此區(qū)與碳滑板接觸，所以也是碳滑板磨耗*多的區(qū)域，碳滑板是否需更換，也是看這個(gè)區(qū)域是否磨損到限。而左右兩個(gè)捕捉的主要作用有兩個(gè)：一個(gè)作用是當(dāng)車輛升弓作業(yè)時(shí)，保證接觸線落在受電弓的碳滑板上；另一個(gè)作用是卡車不同于由軌道引導(dǎo)的軌道車輛，卡車在其車道內(nèi)行駛中會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則橫向運(yùn)動(dòng)，在車輛橫擺的速度大于受電弓控制裝置的跟隨速度時(shí)，接觸線將落入碳滑板的捕捉區(qū)而不會(huì)脫離碳滑板，從而給受電弓控制裝置提供反應(yīng)時(shí)間。由于捕捉區(qū)使用的時(shí)間較少，磨損也小，在車輛全壽命周期內(nèi)也不會(huì)磨損到限。對(duì)于受電弓碳滑板，每次更換都要換碳滑板整體，即包括磨損到限的受電區(qū)和幾乎沒(méi)磨損多少的捕捉區(qū)，這明顯是可以改進(jìn)的地方。

2 基于城市無(wú)軌電車集電器技術(shù)的電氣化公路車輛受電裝置選型

通過(guò)上一節(jié)的分析討論可知，若將受電弓中受電區(qū)（圖 2）分隔開(kāi)來(lái)，維護(hù)時(shí)只更換磨損到限的受電區(qū)部，可以大大節(jié)約車輛受電弓的日常消耗費(fèi)用。其*簡(jiǎn)單的辦法就是將受電區(qū)換成城市無(wú)軌電車集電器 [3]（圖 3），其機(jī)構(gòu)由壓力傳感器和相關(guān)電路組成的車載感知系統(tǒng) [5]（圖 4）、升降氣缸、橫擺電機(jī)等組成。其工作原理：通過(guò)車載感知系統(tǒng)確定供電線在左邊或右邊的導(dǎo)向板上，再由自升型執(zhí)行器 [4]（圖 5）控制集電頭升降和擺動(dòng)，然后通過(guò)橫擺電機(jī)使供電線導(dǎo)向集電器的 U 型槽內(nèi)，這樣受電裝置將進(jìn)入正常受電狀態(tài)。

此機(jī)構(gòu)裝置日常磨損件只有集電器的碳滑塊，一塊碳滑塊的價(jià)格（不到十元）不及碳滑板價(jià)格（二千元左右）的百分之一。更進(jìn)一步，可以將捕捉區(qū)的結(jié)構(gòu)改為帶導(dǎo)向花紋的滾筒 [3]（圖 6）。

在行駛過(guò)程中，當(dāng)接觸線落在捕捉區(qū)，接觸線帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒上的導(dǎo)向花紋將接觸線導(dǎo)入集電器的 U 形槽內(nèi)。

3 集電器技術(shù)的電氣化公路車輛的速度核算

一些城市的無(wú)軌電車采用了玻璃纖維輕型集電桿，將集電桿脫線現(xiàn)象降到了*低點(diǎn)。架空線網(wǎng)采用合成纖維材料制作的橫棚線，使架空線網(wǎng)既降低了成本又減輕了重量，使無(wú)軌電車能以更高的速度行駛。直路的*高車速可以達(dá)到65 ～ 70km/h[7]。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求城市無(wú)軌電車*高速度低于 70km/h，所以城

市無(wú)軌電車的*高速度只開(kāi)發(fā)到 70 公里，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)可以確定的是集電頭的 U 型槽結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)*高速度不低于 70km/h。現(xiàn)有的電氣化公路試驗(yàn)線證明桿式升降結(jié)構(gòu)（圖 1）可以滿足90km/h 的需求，這兩點(diǎn)證明若將基于受電弓技術(shù)的電氣化公路車輛受電裝置的受電區(qū)改為帶 U型槽結(jié)構(gòu)的集電頭，車速完全可以達(dá)到 70km/h，根據(jù)國(guó)家道路建設(shè)要求，高速公路允許的*低時(shí)速為 60 km/h[9]，即現(xiàn)在的技術(shù)水平足以滿足我國(guó)高速公路要求。

4 集電器技術(shù)的電氣化公路車輛偏線距離的核算

對(duì)集電頭車輛使用影響*大的因素是偏線距離。城市無(wú)軌電車偏線距離小于 3 米可以按正常速度行駛，大于 3米才需減速。當(dāng)然電氣化公路不會(huì)使用 6 米長(zhǎng)受電桿，比較合適的是 1.5 米至 2 米桿長(zhǎng)，相應(yīng)的就是大于 0.75 米的偏線距離內(nèi)車輛可以正常行駛，對(duì)于只在本車道內(nèi)行駛的車輛來(lái)說(shuō)這個(gè)偏線距離足夠了。電氣化公路車輛用的集電器桿長(zhǎng)較短，若再按現(xiàn)代受電弓的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，如加裝彈簧盒、減震器等，可以將適用速度進(jìn)一步提高。實(shí)際上，70km/h 的速度對(duì)于充電車道來(lái)說(shuō)已足夠，比正常貨車道低 10 至 20km 可以免于其他貨車與需充電的貨車爭(zhēng)車道。

5 集電器技術(shù)的電氣化公路車輛受電電流和成本的核算

對(duì)于電氣化公路車輛，新增的損耗件主要是碳滑板（受電弓用）或碳滑塊（集電器用）。碳滑板的優(yōu)點(diǎn)是可以承受更大的電流，每毫米可以承受10 到 20A 左右電流，這是由于供電線在碳滑板上左右不停移動(dòng)，讓碳滑板得到很好的冷卻，所以受電弓適用于千千瓦（kW）功率級(jí)的使用。而集電器的碳滑塊一般每毫米承受 3 到 4A 左右電流，這是由于集電器的碳滑塊集中在 U 形槽中受電，不利于冷卻，所以集電器適用于百千瓦功率級(jí)的使用，而公路重型貨運(yùn)車輛是百千瓦（kW）功率級(jí)的。根據(jù)相關(guān)計(jì)算，相應(yīng)的重型貨運(yùn)車輛要求牽引裝置的輸出功率不低于 300 kW，就可滿足我國(guó)公路運(yùn)輸要求 [9]。現(xiàn)在用一塊碳滑塊的城市無(wú)軌電車*大功率可達(dá) 150 kW ～ 200kW，而相應(yīng)于現(xiàn)在基于受電弓技術(shù)的電氣化公路車輛的受電裝置上基本都使用每相兩塊碳滑板，同理基于集電頭技術(shù)的電氣化公路車輛受電裝置上可使用兩塊集電塊，即單車*大功率可達(dá)300kW ～ 400kW，完全可以滿足使用要求。由于電氣化公路都是上千甚至上萬(wàn)公里長(zhǎng)，各段人員維修水平參差不齊（從我國(guó)公路現(xiàn)狀就可知道），所以接觸網(wǎng)的維護(hù)水平難以達(dá)到軌道交通的水平。而有關(guān)軌道交通數(shù)據(jù)顯示，極端情況下甚至達(dá)到每周更換一次碳滑板 [6]。

由于維護(hù)水平的原因，軌道交通的極端情況在電氣化公路上可能變得時(shí)有出現(xiàn)。更換一次碳滑板將消耗四塊碳滑板，每塊碳滑板 2 千元，共 8 千無(wú)左右，一年光更換碳滑板的費(fèi)用是任何客戶都不能承受的。作為價(jià)格便宜的碳滑塊，更換一次四塊碳滑塊，一塊 5 至 7 元，四塊共二十多元，就算每天更換，一年也不到一萬(wàn)元。而根據(jù)城市無(wú)軌電車的經(jīng)驗(yàn)，在極困難的線路一周多才換一次碳滑塊。

電氣化公路車輛受電裝置的另一個(gè)問(wèn)題是碳滑板或碳滑塊的更換。碳滑板或碳滑塊作為易耗品，更換是車輛日常保養(yǎng)的項(xiàng)目之一。基于集電頭技術(shù)的電氣化公路車輛受電裝置還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是碳滑塊容易更換。按城市無(wú)軌電車的經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)普通女司機(jī)用一個(gè)普通的錘子就可以更換。而受電弓的碳滑板需要

專業(yè)維修人員用專用工具進(jìn)行更換，對(duì)平時(shí)維護(hù)和應(yīng)對(duì)碳滑板緊急故障來(lái)說(shuō)都很不方便。所以基于集電頭技術(shù)的電氣化公路車輛受電裝置比基于受電弓技術(shù)的電氣化公路車輛受電裝置更適用于電氣化公路車輛。

6 結(jié)語(yǔ)

本文探索了基于集電頭技術(shù)的電氣化公路車輛受電裝置，并從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)角度提出作為電氣化公路關(guān)鍵技術(shù)的車輛受電裝置的兩種結(jié)構(gòu)比較。作為一種

**機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)從安全可靠經(jīng)濟(jì)出發(fā)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，才能在使用中得到用戶的認(rèn)同，否則用戶將棄之不用。建設(shè)電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)，為我國(guó)公路柴油貨運(yùn)車輛尾氣污染物減排和藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)提供了一種全新的技術(shù)思路。