引言

應對氣候變化和降低汽車尤其是重型柴油貨運車輛的污染物排放對世界各國來說都是一個重大的挑戰 [1]。德國、英國和法國等歐洲國家分別宣布到 2030 年和 2040 年開始禁售新的汽油和柴油車。2018 年 6 月中央發布了《關于**加強生態環境保護 堅決打好污染防治攻堅戰的意見》，對交通運輸行業柴油貨車污染治理提出了更高要求 [1]。而電氣化公路運輸技術為重型貨車電氣化提供一個比現在純蓄電池重型貨車更經濟的技術途徑。電氣化公路的車輛一般使用雙源動力裝置（**源為供電網供電，**源為柴油機或蓄電池），車輛在電氣化公路上由供電線提供動力并向蓄電池供電（當**源為蓄電池時）。據相關政府官方網站公告，2023 年我國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輸系統示范項目。為助力新疆經濟社會高質量發展，在未來幾年，新疆可能將一條長約 1800 余公里的公路交通大動脈進行電氣化改造 [2]。可以預見，電氣化公路很可能在未來幾年內會在我國興起。

1 基于電力機車受電弓技術的電氣化公路車輛受電裝置和存在問題

現在我國的兩條試驗線用的都是基于電力機車受電弓技術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作用。一個作用是利用受電弓的寬度作為供電網捕捉器來用，保證供電線落入受電弓的碳滑板內，然后由安裝在車輛上方受電弓控制裝置控制 [1]下擺動受電弓使供電線位于碳滑板中部。另一個作用，就是車輛行駛時不可能沿絕對直線走，由于司機駕駛原因、道路原因等因素車輛會產生不規則左右擺動，這時由于受電弓有一定的寬度，保證供電線不會落在碳滑板外。

在實際運行中，受電弓的碳滑板分兩種功能區，一個受電區和左右兩個捕捉區（圖 2）。受電區是在由供電網提供車輛動力時的受電區，受電時供電線在此區與碳滑板接觸，所以也是碳滑板磨耗*多的區域，碳滑板是否需更換，也是看這個區域是否磨損到限。而左右兩個捕捉的主要作用有兩個：一個作用是當車輛升弓作業時，保證接觸線落在受電弓的碳滑板上；另一個作用是卡車不同于由軌道引導的軌道車輛，卡車在其車道內行駛中會產生不規則橫向運動，在車輛橫擺的速度大于受電弓控制裝置的跟隨速度時，接觸線將落入碳滑板的捕捉區而不會脫離碳滑板，從而給受電弓控制裝置提供反應時間。由于捕捉區使用的時間較少，磨損也小，在車輛全壽命周期內也不會磨損到限。對于受電弓碳滑板，每次更換都要換碳滑板整體，即包括磨損到限的受電區和幾乎沒磨損多少的捕捉區，這明顯是可以改進的地方。

2 基于城市無軌電車集電器技術的電氣化公路車輛受電裝置選型

通過上一節的分析討論可知，若將受電弓中受電區（圖 2）分隔開來，維護時只更換磨損到限的受電區部，可以大大節約車輛受電弓的日常消耗費用。其*簡單的辦法就是將受電區換成城市無軌電車集電器 [3]（圖 3），其機構由壓力傳感器和相關電路組成的車載感知系統 [5]（圖 4）、升降氣缸、橫擺電機等組成。其工作原理：通過車載感知系統確定供電線在左邊或右邊的導向板上，再由自升型執行器 [4]（圖 5）控制集電頭升降和擺動，然后通過橫擺電機使供電線導向集電器的 U 型槽內，這樣受電裝置將進入正常受電狀態。

此機構裝置日常磨損件只有集電器的碳滑塊，一塊碳滑塊的價格（不到十元）不及碳滑板價格（二千元左右）的百分之一。更進一步，可以將捕捉區的結構改為帶導向花紋的滾筒 [3]（圖 6）。

在行駛過程中，當接觸線落在捕捉區，接觸線帶動滾筒轉動，滾筒上的導向花紋將接觸線導入集電器的 U 形槽內。

3 集電器技術的電氣化公路車輛的速度核算

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

市無軌電車的*高速度只開發到 70 公里，根據以往經驗可以確定的是集電頭的 U 型槽結構可以適應*高速度不低于 70km/h。現有的電氣化公路試驗線證明桿式升降結構（圖 1）可以滿足90km/h 的需求，這兩點證明若將基于受電弓技術的電氣化公路車輛受電裝置的受電區改為帶 U型槽結構的集電頭，車速完全可以達到 70km/h，根據國家道路建設要求，高速公路允許的*低時速為 60 km/h[9]，即現在的技術水平足以滿足我國高速公路要求。

4 集電器技術的電氣化公路車輛偏線距離的核算

對集電頭車輛使用影響*大的因素是偏線距離。城市無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。當然電氣化公路不會使用 6 米長受電桿，比較合適的是 1.5 米至 2 米桿長，相應的就是大于 0.75 米的偏線距離內車輛可以正常行駛，對于只在本車道內行駛的車輛來說這個偏線距離足夠了。電氣化公路車輛用的集電器桿長較短，若再按現代受電弓的技術進行改進，如加裝彈簧盒、減震器等，可以將適用速度進一步提高。實際上，70km/h 的速度對于充電車道來說已足夠，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車道。

5 集電器技術的電氣化公路車輛受電電流和成本的核算

對于電氣化公路車輛，新增的損耗件主要是碳滑板（受電弓用）或碳滑塊（集電器用）。碳滑板的優點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，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的使用，而公路重型貨運車輛是百千瓦（kW）功率級的。根據相關計算，相應的重型貨運車輛要求牽引裝置的輸出功率不低于 300 kW，就可滿足我國公路運輸要求 [9]。現在用一塊碳滑塊的城市無軌電車*大功率可達 150 kW ～ 200kW，而相應于現在基于受電弓技術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公里長，各段人員維修水平參差不齊（從我國公路現狀就可知道），所以接觸網的維護水平難以達到軌道交通的水平。而有關軌道交通數據顯示，極端情況下甚至達到每周更換一次碳滑板 [6]。

由于維護水平的原因，軌道交通的極端情況在電氣化公路上可能變得時有出現。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 千無左右，一年光更換碳滑板的費用是任何客戶都不能承受的。作為價格便宜的碳滑塊，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，一年也不到一萬元。而根據城市無軌電車的經驗，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問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的項目之一。基于集電頭技術的電氣化公路車輛受電裝置還有一個優點就是碳滑塊容易更換。按城市無軌電車的經驗，一個普通女司機用一個普通的錘子就可以更換。而受電弓的碳滑板需要

專業維修人員用專用工具進行更換，對平時維護和應對碳滑板緊急故障來說都很不方便。所以基于集電頭技術的電氣化公路車輛受電裝置比基于受電弓技術的電氣化公路車輛受電裝置更適用于電氣化公路車輛。

6 結語

本文探索了基于集電頭技術的電氣化公路車輛受電裝置，并從技術、經濟角度提出作為電氣化公路關鍵技術的車輛受電裝置的兩種結構比較。作為一種

**機構設計，應從安全可靠經濟出發進行開發，才能在使用中得到用戶的認同，否則用戶將棄之不用。建設電氣化公路運輸系統，為我國公路柴油貨運車輛尾氣污染物減排和藍天保衛戰提供了一種全新的技術思路。