受電弓設(shè)計(jì)原則研究*

馬果壘，高秀軍，宋 瑤

(北京賽德高科鐵道電氣科技有限責(zé)任公司，北京100176)

受電弓是電力牽引機(jī)車車輛的關(guān)鍵設(shè)備，主要由底架、升降系統(tǒng)、上框架、上導(dǎo)桿、下臂、下導(dǎo)桿和弓頭等組成，受電弓的功能是保證電流能夠從架空線傳送到機(jī)車車輛的電氣系統(tǒng)。

1 受電弓的分類

按照結(jié)構(gòu)類型，受電弓可以分為:單臂受電弓，雙臂受電弓。但目前普遍采用單臂受電弓，見圖1。

圖1 受電弓類型

按照使用地點(diǎn)和功能，受電弓可以分為:干線受電弓和地鐵、輕軌受電弓。

干線與地鐵和輕軌的區(qū)別

①載客(貨)量不同:干線最大，地鐵次之，輕軌最少;

②適用電壓不同:干線一般為25 kV，地鐵和輕軌差不多，有3 kV、1.5 kV或者750 V等幾種;

③行駛速度不同:干線一般會(huì)達(dá)到120 km/h以上，而地鐵和輕軌一般在120 km/h以下;

④建設(shè)地點(diǎn)不同:干線一般為兩個(gè)城市之間的線路，而地鐵和輕軌一般限于一個(gè)城市內(nèi)，建設(shè)空間有限。

根據(jù)干線與地鐵、輕軌線路的不同，其受電弓的主要區(qū)別

①干線受電弓一般為氣囊升弓，地鐵和輕軌則有氣囊式，彈簧式和氣缸式等形式;

②地鐵和輕軌由于電壓低，其電流很大，所以其滑板要浸金屬滑板或者直接使用銅粉末冶金滑板，而干線鐵路其電流相對(duì)要小，而且高速下考慮弓頭減重，一般采用碳滑板;

③干線受電弓一般強(qiáng)制要求擁有自動(dòng)降弓(ADD)系統(tǒng)，而地鐵和輕軌根據(jù)客戶要求;

④地鐵和輕軌由于建設(shè)空間的局限，對(duì)受電弓工作范圍要求苛刻，即落弓后升起很小即能工作;

⑤干線受電弓，特別是高速線路，必須考慮高速運(yùn)行時(shí)氣流對(duì)受電弓動(dòng)態(tài)性能的影響，這就需要在弓頭處加裝導(dǎo)流板和翼片，而地鐵和輕軌受電弓不需要考慮。

按照驅(qū)動(dòng)方式，受電弓可以分為氣動(dòng)式受電弓和電動(dòng)式受電弓，其中氣動(dòng)式受電弓又可以分為氣囊式和氣缸式。氣缸式和電動(dòng)式受電弓配有升弓彈簧(見圖2)。

按照控制方式，受電弓可以分為普通閥板控制受電弓，開環(huán)控制閥板控制受電弓和閉環(huán)控制閥板控制受電弓。

普通閥板控制受電弓是指受電弓在運(yùn)行過程中，弓網(wǎng)接觸力不能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整;開環(huán)控制閥板控制受電弓是指受電弓在運(yùn)行過程中，弓網(wǎng)接觸力能夠跟隨速度的變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整;閉環(huán)控制閥板控制受電弓是指受電弓在運(yùn)行過程中，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)弓網(wǎng)接觸力，進(jìn)而跟隨速度的變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

2 受電弓的設(shè)計(jì)原則

受電弓是弓網(wǎng)關(guān)系設(shè)計(jì)的重要組成部分。只有合理的受電弓方案，才能保證弓網(wǎng)接觸可靠、磨耗小，從而具有良好的受流質(zhì)量。對(duì)于受電弓的要求，其基本原則如下［1-2］:

圖2 受電弓驅(qū)動(dòng)方式

有足夠的工作范圍以滿足接觸網(wǎng)高度的變化;有足夠的電流容量滿足車輛運(yùn)行要求;有良好的靜態(tài)壓力特性。要求弓頭在整個(gè)工作范圍內(nèi)的靜態(tài)壓力值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;有足夠的電氣間隙和爬電距離(與安裝絕緣子一起綜合考慮);有合理的升弓特性和降弓特性。即能平滑、穩(wěn)定地上升到最大工作高度，對(duì)接觸導(dǎo)線不產(chǎn)生過大的沖擊。降弓時(shí)為避免拉弧，要求在工作范圍的任何高度上降弓初期動(dòng)作迅速，降弓終了動(dòng)作緩慢，沒有易引起損傷的沖擊;有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。機(jī)械強(qiáng)度是受電弓安全工作的基礎(chǔ)，受電弓的整個(gè)工作過程幾乎都是振動(dòng)的;弓頭在車輛前進(jìn)方向上的縱向偏移量應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;弓頭自由度應(yīng)滿足網(wǎng)線設(shè)計(jì)要求，在整個(gè)升弓范圍內(nèi)能夠調(diào)整弓頭水平。由于受電弓弓頭的工作隨接觸網(wǎng)高度的變化而變化，在工作高度變化時(shí)，應(yīng)保證弓頭基本水平，如受電弓機(jī)構(gòu)無法保持弓頭的水平運(yùn)動(dòng)，將引起滑板接觸不均勻，造成弓頭偏磨和離線;有合理的動(dòng)力學(xué)參數(shù)配置，滿足運(yùn)行速度要求;有良好的氣動(dòng)力學(xué)性能，特別是高速受電弓。滿足低氣動(dòng)阻力、低氣流擾動(dòng)和低噪聲的外形設(shè)計(jì)。開閉口雙向運(yùn)行的一致性;具有自動(dòng)降弓功能(設(shè)計(jì)要求時(shí));結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，維護(hù)方便;安全可靠，具有較低的全壽命周期成本。

3 單臂受電弓組成

本文就單臂受電弓的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，見圖3。

圖3 受電弓術(shù)語

(1)框架15

能使弓頭相對(duì)于受電弓的底架在垂向方向運(yùn)動(dòng)的鉸接結(jié)構(gòu)。它主要由上框架1、上導(dǎo)桿16、下臂17和下導(dǎo)桿18組成。

上框架1一端鉸接在下臂上，一端與弓頭鉸接，用以支撐弓頭的垂向運(yùn)動(dòng)。

上導(dǎo)桿16可將弓頭保持水平就位。對(duì)它的調(diào)整將使弓頭準(zhǔn)確地水平置于一個(gè)平均工作高度上。這樣有助于實(shí)現(xiàn)2個(gè)碳滑板的均等或均勻磨損。

下臂17是主要承力部件。下臂下端與底架鉸鏈，上端與上臂鉸鏈，且下端安裝有線導(dǎo)板連接至升降系統(tǒng)，通過升降系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，支撐整個(gè)受電弓上升與下降。同時(shí)升降系統(tǒng)提供的升弓力通過設(shè)置于下臂下端的線導(dǎo)板以保證受電弓具有良好的靜態(tài)曲線特性。

下導(dǎo)桿18的一端連接至底架，另一端連接至上臂。下導(dǎo)桿在受電弓升弓和降弓中引導(dǎo)上臂就位。是底架與上臂之間的連接桿件，具有調(diào)整升弓高度以及靜態(tài)接觸力曲線的作用。

(2)底架2

受電弓中支承框架的固定部件，它安裝在固定于車頂?shù)慕^緣子上。

(3)弓頭3

受電弓中由框架支承的部件，它包括滑板、弓角和懸掛裝置。

(4)滑板4

弓頭中可以更換的磨損部件，它的表面直接和接觸網(wǎng)接觸。

(5)弓角5

弓頭的端部，它用以保證與接觸線平滑接觸與過渡。

(6)弓頭的長(zhǎng)度6

沿機(jī)車車輛橫向所測(cè)得的弓頭水平尺寸。

(7)弓頭的寬度7

沿機(jī)車車輛縱向所測(cè)得的弓頭尺寸。單滑板受電弓不適用。

(8)弓頭的高度8

弓角的最低點(diǎn)到滑板的最高點(diǎn)的垂直距離。(9)滑板長(zhǎng)度10

沿機(jī)車車輛橫向所測(cè)得的滑板總長(zhǎng)度。

(10)最低工作高度11

受電弓升至設(shè)計(jì)受流的最低平面時(shí)，絕緣子頂上的受電弓安裝平面到滑板頂面之間的垂直距離。

(11)最高工作高度12

受電弓升至設(shè)計(jì)受流的最高平面時(shí)，絕緣子頂上的受電弓安裝平面到滑板頂面之間的垂直距離。

(12)工作范圍13

最高工作高度與最低工作高度之差。

(13)落弓高度14

受電弓在落弓位置時(shí)，從絕緣子頂上的受電弓安裝平面到滑板的最高表面或更高的受電弓的其他部件的垂直距離。

(14)受電弓電氣區(qū)域

在落弓位置時(shí)，受電弓最高帶電部位與最低帶電部位之間的垂直距離。

(15)升降系統(tǒng)

提供升弓動(dòng)力的裝置。

(16)最大升弓高度

升到機(jī)械止塊的最大高度(在升弓范圍內(nèi)沒有任何裝置限制受電弓升高)。

(17)控制系統(tǒng)

為受電弓升降系統(tǒng)提供能源的系統(tǒng)。

4 受電弓設(shè)計(jì)要求

(1)通用性要求

應(yīng)借鑒成熟運(yùn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高運(yùn)行可靠性和部件通用性，方便維護(hù)。

(2)4連桿機(jī)構(gòu)要求

將單臂受電弓簡(jiǎn)化為四連桿機(jī)構(gòu)，見圖4。

為滿足受電弓的工作要求，四連桿機(jī)構(gòu)需滿足:

升弓或降弓時(shí)弓頭在工作范圍內(nèi)相對(duì)于垂直線軌跡偏差應(yīng)在縱向±50 mm內(nèi)和橫向±10 mm內(nèi);四連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)盡可能保證弓頭保持水平;四連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)保證落弓高度和最大升弓高度。

(3)弓頭輪廓要求

弓頭直接和接觸網(wǎng)接觸，接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)決定了特定的弓頭輪廓。如果弓頭不滿足要求，容易發(fā)生弓網(wǎng)事故。

因此，對(duì)于特定的受電弓，其弓頭輪廓有特定的規(guī)定。我國(guó)干線一般選用1 950 mm長(zhǎng)弓頭輪廓，見圖5。

圖4 單臂受電弓實(shí)物模型簡(jiǎn)化為桿件模型

圖5 中國(guó)干線鐵路標(biāo)準(zhǔn)弓頭輪廓線

對(duì)于地鐵和輕軌受電弓弓頭輪廓根據(jù)TB/T 3721－2011和客戶要求執(zhí)行。

(4)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求

①橫向剛度

對(duì)于干線受電弓應(yīng)滿足［3-4］

受電弓應(yīng)升至最高工作位置，當(dāng)支撐弓頭的框架部分的每側(cè)相繼施加300 N的力時(shí)，每側(cè)位移均不應(yīng)超過30 mm。每次施加力后，受電弓應(yīng)沒有永久變形。

對(duì)于地鐵和輕軌受電弓應(yīng)滿足

當(dāng)支撐弓頭的框架部分的每側(cè)相繼施加300 N的力時(shí)，每側(cè)位移均不應(yīng)超過表1的規(guī)定。每次施加力后，受電弓應(yīng)沒有永久變形。

表1 地鐵、輕軌受電弓弓頭橫向偏差

②設(shè)計(jì)強(qiáng)度

在最大設(shè)計(jì)載荷下，應(yīng)力值不應(yīng)超過其材料的屈服強(qiáng)度。

(5)運(yùn)行速度要求

對(duì)于設(shè)計(jì)的受電弓，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 50317DE要求，可以利用質(zhì)量塊模型對(duì)其弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，具體要求如下［5，6］:根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) EN 50367《鐵路應(yīng)用 受流系統(tǒng)受電弓與接觸網(wǎng)相互作用》的規(guī)定:

標(biāo)準(zhǔn)偏差σ≤0.3×Fm

力的平均值 Fm≤0.00097×V2+70

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 50119《鐵路設(shè)施固定裝置電氣牽引架空接觸線》的規(guī)定:

接觸力最大值≤350 N

接觸力最小值 ＞20 N

對(duì)于“最大接觸線抬升量”的值，根據(jù)國(guó)內(nèi)規(guī)定:

最大接觸線抬升量 ＜150 mm

離線率 ＜5%

(6)載流能力校核

對(duì)受電弓來說，其載流能力很大程度上取決于滑板的載流能力。目前廣泛采用純碳和浸金屬碳兩種形式的滑板，按照經(jīng)驗(yàn)兩種滑板材料的載流能力見表2。對(duì)于受電弓設(shè)計(jì)輸入要求的載流能力，可使用表2中數(shù)據(jù)以及選擇滑板的寬度進(jìn)行校核。

表2 兩種滑板材料載流能力比較

(7)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本要求

①控制系統(tǒng)中電氣元件需滿足電磁兼容性要求;

②控制系統(tǒng)應(yīng)考慮能夠進(jìn)行升降弓時(shí)間調(diào)整和靜態(tài)接觸力調(diào)整;

③氣動(dòng)控制系統(tǒng)管路直徑至少應(yīng)不小于G1/4，以滿足流量的要求。

(8)絕緣性能要求(與絕緣子一起考慮)

受電弓的過電壓等級(jí)為0V4，污染等級(jí)為PD4。

AC 25 kV受電弓(海拔低于1 400 m)

電氣間隙≥310 mm

爬電距離≥1 000 mm

雷電沖擊≥185 kV

高海拔修正

GB/T 21413.1－2008(等同 IEC60077－1:1999)規(guī)定了海拔1 400 m以下的電氣間隙問題，對(duì)于高海拔電氣間隙需要考慮海拔修正。

按照GB 311.1規(guī)定，以海拔高度1 000 m作為基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)用于海拔高于1 000 m但不大于4 000 m處設(shè)備的外絕緣，海拔每升高100 m，絕緣強(qiáng)度約降低1%，其試驗(yàn)電壓按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)為額定耐受電壓與海拔校正因數(shù)KaGB之積。

KaGB=1/(1.1－H/10 000)，H為設(shè)備安裝海拔高度，m。

地鐵和輕軌受電弓

地鐵和輕軌受電弓多采用直流制式，其電壓一般為:DC 3 000 V/1 500 V/750 V。對(duì)于其要求，按照GB/T 21413.1－2008規(guī)定執(zhí)行。

(9)其他要求

對(duì)于干線受電弓，例行和型式試驗(yàn)應(yīng)滿足GB/T 21561.1 的規(guī)定;

對(duì)于地鐵、輕軌受電弓，例行和型式試驗(yàn)應(yīng)滿足GB/T 21561.2 的規(guī)定。

5 結(jié)束語

明確受電弓的設(shè)計(jì)原則和要求，對(duì)于設(shè)計(jì)或者“尋找”合適的受電弓至關(guān)重要。

本文基于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)的研究和分析，提出受電弓的設(shè)計(jì)原則和要求，規(guī)范受電弓的設(shè)計(jì)方法。

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