引言
应对气候变化和降低汽车尤其是重型柴油货运车辆的污染物排放对世界各国来说都是一个重大的挑战 [1]。德国、英国和法国等欧洲国家分别宣布到 2030 年和 2040 年开始禁售新的汽油和柴油车。2018 年 6 月中央发布了《关于**加强生态环境保护 坚决打好污染防治攻坚战的意见》，对交通运输行业柴油货车污染治理提出了更高要求 [1]。而电气化公路运输技术为重型货车电气化提供一个比现在纯蓄电池重型货车更经济的技术途径。电气化公路的车辆一般使用双源动力装置（**源为供电网供电，**源为柴油机或蓄电池），车辆在电气化公路上由供电线提供动力并向蓄电池供电（当**源为蓄电池时）。据相关政府官方网站公告，2023 年我国已建成了株洲电气化公路示范线和大同电气化公路及矿山运输系统示范项目。为助力新疆经济社会高质量发展，在未来几年，新疆可能将一条长约 1800 余公里的公路交通大动脉进行电气化改造 [2]。可以预见，电气化公路很可能在未来几年内会在我国兴起。
1 基于电力机车受电弓技术的电气化公路车辆受电装置和存在问题
现在我国的两条试验线用的都是基于电力机车受电弓技术的电气化公路车辆受电装置 ( 图 1)[1]。这种车辆的受电弓有两个作用。一个作用是利用受电弓的宽度作为供电网捕捉器来用，保证供电线落入受电弓的碳滑板内，然后由安装在车辆上方受电弓控制装置控制 [1]下摆动受电弓使供电线位于碳滑板中部。另一个作用，就是车辆行驶时不可能沿绝对直线走，由于司机驾驶原因、道路原因等因素车辆会产生不规则左右摆动，这时由于受电弓有一定的宽度，保证供电线不会落在碳滑板外。
在实际运行中，受电弓的碳滑板分两种功能区，一个受电区和左右两个捕捉区（图 2）。受电区是在由供电网提供车辆动力时的受电区，受电时供电线在此区与碳滑板接触，所以也是碳滑板磨耗*多的区域，碳滑板是否需更换，也是看这个区域是否磨损到限。而左右两个捕捉的主要作用有两个：一个作用是当车辆升弓作业时，保证接触线落在受电弓的碳滑板上；另一个作用是卡车不同于由轨道引导的轨道车辆，卡车在其车道内行驶中会产生不规则横向运动，在车辆横摆的速度大于受电弓控制装置的跟随速度时，接触线将落入碳滑板的捕捉区而不会脱离碳滑板，从而给受电弓控制装置提供反应时间。由于捕捉区使用的时间较少，磨损也小，在车辆全寿命周期内也不会磨损到限。对于受电弓碳滑板，每次更换都要换碳滑板整体，即包括磨损到限的受电区和几乎没磨损多少的捕捉区，这明显是可以改进的地方。
2 基于城市无轨电车集电器技术的电气化公路车辆受电装置选型
通过上一节的分析讨论可知，若将受电弓中受电区（图 2）分隔开来，维护时只更换磨损到限的受电区部，可以大大节约车辆受电弓的日常消耗费用。其*简单的办法就是将受电区换成城市无轨电车集电器 [3]（图 3），其机构由压力传感器和相关电路组成的车载感知系统 [5]（图 4）、升降气缸、横摆电机等组成。其工作原理：通过车载感知系统确定供电线在左边或右边的导向板上，再由自升型执行器 [4]（图 5）控制集电头升降和摆动，然后通过横摆电机使供电线导向集电器的 U 型槽内，这样受电装置将进入正常受电状态。
此机构装置日常磨损件只有集电器的碳滑块，一块碳滑块的价格（不到十元）不及碳滑板价格（二千元左右）的百分之一。更进一步，可以将捕捉区的结构改为带导向花纹的滚筒 [3]（图 6）。
在行驶过程中，当接触线落在捕捉区，接触线带动滚筒转动，滚筒上的导向花纹将接触线导入集电器的 U 形槽内。
3 集电器技术的电气化公路车辆的速度核算
一些城市的无轨电车采用了玻璃纤维轻型集电杆，将集电杆脱线现象降到了*低点。架空线网采用合成纤维材料制作的横棚线，使架空线网既降低了成本又减轻了重量，使无轨电车能以更高的速度行驶。直路的*高车速可以达到65 ～ 70km/h[7]。相关标准要求城市无轨电车*高速度低于 70km/h，所以城
市无轨电车的*高速度只开发到 70 公里，根据以往经验可以确定的是集电头的 U 型槽结构可以适应*高速度不低于 70km/h。现有的电气化公路试验线证明杆式升降结构（图 1）可以满足90km/h 的需求，这两点证明若将基于受电弓技术的电气化公路车辆受电装置的受电区改为带 U型槽结构的集电头，车速完全可以达到 70km/h，根据国家道路建设要求，高速公路允许的*低时速为 60 km/h[9]，即现在的技术水平足以满足我国高速公路要求。
4 集电器技术的电气化公路车辆偏线距离的核算
对集电头车辆使用影响*大的因素是偏线距离。城市无轨电车偏线距离小于 3 米可以按正常速度行驶，大于 3米才需减速。当然电气化公路不会使用 6 米长受电杆，比较合适的是 1.5 米至 2 米杆长，相应的就是大于 0.75 米的偏线距离内车辆可以正常行驶，对于只在本车道内行驶的车辆来说这个偏线距离足够了。电气化公路车辆用的集电器杆长较短，若再按现代受电弓的技术进行改进，如加装弹簧盒、减震器等，可以将适用速度进一步提高。实际上，70km/h 的速度对于充电车道来说已足够，比正常货车道低 10 至 20km 可以免于其他货车与需充电的货车争车道。
5 集电器技术的电气化公路车辆受电电流和成本的核算
对于电气化公路车辆，新增的损耗件主要是碳滑板（受电弓用）或碳滑块（集电器用）。碳滑板的优点是可以承受更大的电流，每毫米可以承受10 到 20A 左右电流，这是由于供电线在碳滑板上左右不停移动，让碳滑板得到很好的冷却，所以受电弓适用于千千瓦（kW）功率级的使用。而集电器的碳滑块一般每毫米承受 3 到 4A 左右电流，这是由于集电器的碳滑块集中在 U 形槽中受电，不利于冷却，所以集电器适用于百千瓦功率级的使用，而公路重型货运车辆是百千瓦（kW）功率级的。根据相关计算，相应的重型货运车辆要求牵引装置的输出功率不低于 300 kW，就可满足我国公路运输要求 [9]。现在用一块碳滑块的城市无轨电车*大功率可达 150 kW ～ 200kW，而相应于现在基于受电弓技术的电气化公路车辆的受电装置上基本都使用每相两块碳滑板，同理基于集电头技术的电气化公路车辆受电装置上可使用两块集电块，即单车*大功率可达300kW ～ 400kW，完全可以满足使用要求。由于电气化公路都是上千甚至上万公里长，各段人员维修水平参差不齐（从我国公路现状就可知道），所以接触网的维护水平难以达到轨道交通的水平。而有关轨道交通数据显示，极端情况下甚至达到每周更换一次碳滑板 [6]。
由于维护水平的原因，轨道交通的极端情况在电气化公路上可能变得时有出现。更换一次碳滑板将消耗四块碳滑板，每块碳滑板 2 千元，共 8 千无左右，一年光更换碳滑板的费用是任何客户都不能承受的。作为价格便宜的碳滑块，更换一次四块碳滑块，一块 5 至 7 元，四块共二十多元，就算每天更换，一年也不到一万元。而根据城市无轨电车的经验，在极困难的线路一周多才换一次碳滑块。
电气化公路车辆受电装置的另一个问题是碳滑板或碳滑块的更换。碳滑板或碳滑块作为易耗品，更换是车辆日常保养的项目之一。基于集电头技术的电气化公路车辆受电装置还有一个优点就是碳滑块容易更换。按城市无轨电车的经验，一个普通女司机用一个普通的锤子就可以更换。而受电弓的碳滑板需要
专业维修人员用专用工具进行更换，对平时维护和应对碳滑板紧急故障来说都很不方便。所以基于集电头技术的电气化公路车辆受电装置比基于受电弓技术的电气化公路车辆受电装置更适用于电气化公路车辆。
6 结语
本文探索了基于集电头技术的电气化公路车辆受电装置，并从技术、经济角度提出作为电气化公路关键技术的车辆受电装置的两种结构比较。作为一种
**机构设计，应从安全可靠经济出发进行开发，才能在使用中得到用户的认同，否则用户将弃之不用。建设电气化公路运输系统，为我国公路柴油货运车辆尾气污染物减排和蓝天保卫战提供了一种全新的技术思路。
