As地鐵車輛雙弓受流分析

王元貴 陳金龍

摘 ?要：由于As地鐵車輛具有爬50‰坡道的能力，采用4架受電弓并聯(lián)受流，比標(biāo)準(zhǔn)的A型、B型地鐵車輛多2架受電弓受流，對于DC1500V的牽引供電系統(tǒng)，采用4架受流在國內(nèi)屬于首創(chuàng)。通過As車輛弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流仿真，比較不同接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，驗(yàn)證了雙弓設(shè)計(jì)方案的有效性。在某地鐵正線上開展受電弓動(dòng)態(tài)受流試驗(yàn)，通過對接觸力和燃弧率的分析，驗(yàn)證了As地鐵車輛雙弓受流的合理性。

關(guān)鍵詞：As;雙弓;受流;地鐵車輛

中圖分類號(hào)：U271 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

由于As車輛具有爬50‰坡道的能力，采用5動(dòng)1拖的配置[1];為了滿足受流需求，提高車輛受電能力，降低車輛受電弓離線率，減少受電弓碳滑條和接觸線的電磨耗，全列車采用4架受電弓受電，每個(gè)Mp車安裝2架受電弓，受電弓之間的間距分別為 13.4 m，43.6 m 和13.4 m。對于DC1500V牽引供電系統(tǒng)，采用4架受電弓受流在國內(nèi)仍屬首創(chuàng)。為了驗(yàn)證As車輛雙弓受流方案的可行性，該文對受電弓材質(zhì)進(jìn)行對比分析，對弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真分析，并在正線進(jìn)行弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)，分析其在實(shí)際運(yùn)營線路上的受流情況。

1 受電弓碳滑板的選擇

受電弓滑板是地鐵車輛重要的受電元件，為地鐵列車提供電能。列車運(yùn)行時(shí)，滑板表面因摩擦產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致表面溫度升高，加重磨耗;受流時(shí)，常會(huì)在定位懸掛點(diǎn)、整體吊弦處、剛?cè)徇^渡區(qū)、電分段區(qū)等位置產(chǎn)生火花、電弧以及對受電弓的撞擊，導(dǎo)致滑板表面質(zhì)量下降，磨耗加劇。

從材質(zhì)上，目前受電弓碳滑板主要有純碳滑板和浸金屬碳滑板。在剛性接觸網(wǎng)和柔性接觸網(wǎng)混合制式下浸金屬碳滑板具有強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、耐沖擊性、耐磨性、良好的導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)。純碳滑板的優(yōu)點(diǎn)是對接觸導(dǎo)線的磨損小，但電阻系數(shù)較大、集電容量小、耐沖擊性差。純碳滑板和浸金屬碳滑板的主要參數(shù)對比：浸金屬碳滑板載流率12 A/mm～14 A/mm，峰值載流量20 A/mm，電阻率4 μΩm，碳滑板受流長度120 mm，額定電流載流量1440A～1680A，碳滑板峰值載流量2 400 A;純碳滑板載流率5 A/mm～7 A/mm，峰值載流量11 A/mm，電阻率34 μΩm，碳滑板受流長度120 mm，額定電流載流量600 A～840 A，碳滑板峰值載流量1 320 A。

As車輛的主要參數(shù)：整車牽引最大短時(shí)電流為3 850 A，持續(xù)時(shí)間約7.3 s;整車牽引的額定電流為2 600 A;電制動(dòng)最大電流為列車運(yùn)行至85 km/h時(shí)的瞬時(shí)值為4 900A;輔助系統(tǒng)最大電流：網(wǎng)壓為DC1000V時(shí)，400 A;網(wǎng)壓為DC1500V時(shí)，270 A;接觸網(wǎng)的耐受溫度：<150℃。

靜態(tài)電流及弓網(wǎng)溫升：純碳滑板的電阻率是浸金屬的8.5倍，根據(jù)電阻發(fā)熱計(jì)算公式：Q=I2RT，式中：Q為發(fā)熱量，I為電流，R為電阻，T為時(shí)間，純碳滑板的發(fā)熱量是浸金屬碳滑板的8.5倍，無法滿足接觸網(wǎng)的耐受溫度。

載流量：純碳滑板每個(gè)受電弓載流量，無法滿足全列額定電流及牽引最大電流的需求。因此As車選用阻值更小承受電流更大的浸金屬碳滑板，雙弓并聯(lián)受流，可確保在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)情況下受流完好。

2 受流性能指標(biāo)

2.1 接觸壓力

弓網(wǎng)受流質(zhì)量評(píng)價(jià)，要求弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力維持在合適的范圍，降低滑板和接觸線的磨損率，通常用弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計(jì)數(shù)值來表征。接觸力最大值、最小值、平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差基本表征了弓網(wǎng)的受流質(zhì)量狀態(tài)。弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力一般按一個(gè)錨段長度為評(píng)估單位。評(píng)估參數(shù)包括：接觸力在時(shí)域內(nèi)的最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

2.1.1 弓網(wǎng)受流動(dòng)態(tài)仿真

在ANSYS中建立弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)模型，計(jì)算4架受電弓以100km/h剛性接觸網(wǎng)區(qū)段接觸力仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表1。所有接觸力統(tǒng)計(jì)值均滿足要求，受電弓從柔性網(wǎng)過渡至剛性網(wǎng)的剛?cè)徇^渡區(qū)段的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能較另一方向差。第1架受電弓的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能比第4架受電弓較優(yōu)。經(jīng)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真分析所采用的4架受電弓布置方案可行。

2.1.2 雙弓運(yùn)行線路測試

在實(shí)際線路上測試時(shí)，受電弓的靜態(tài)接觸壓力調(diào)整為120 N，對60 km/h、80 km/h、100 km/h不同速度等級(jí)下弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表2。研究表明：隨著運(yùn)行速度的增加，接觸力的差加大，平均值基本呈增加趨勢。同一方向上，平均接觸力的偏差控制在3 N以內(nèi)。

研究表明列車在加速區(qū)段、錨段關(guān)節(jié)、分段絕緣器等處，弓頭振動(dòng)加速度變大，引起弓頭慣性力增大，弓網(wǎng)接觸力發(fā)生突變。

2.2 弓網(wǎng)燃弧

燃弧能保證電能傳輸?shù)牟恢卸危瑫r(shí)會(huì)引起滑板和接觸線的溫升，增加接觸線和滑板的電氣磨耗。受電弓帶電通過錨段關(guān)節(jié)、分段絕緣器處的燃弧屬于弓網(wǎng)系統(tǒng)的固有特性，應(yīng)盡量降低燃弧時(shí)間，避免溫升對接觸網(wǎng)零部件機(jī)械強(qiáng)度的破壞。

2.2.1 燃弧率

2.2.2 雙弓運(yùn)行燃弧測試

燃弧次數(shù)和燃弧率統(tǒng)計(jì)的最小時(shí)間為5 ms。As列車在實(shí)際線路上分別加速至60 km/h、80 km/h、100 km/h時(shí)對燃弧率進(jìn)行了測試，測得不同速度等級(jí)燃弧，見表3，1、2號(hào)受電弓為裝在2車上的2架受電弓，靠近1車的受電弓定義為1號(hào)受電弓。從數(shù)據(jù)中可以看出，隨著運(yùn)行速度的增加，燃弧率基本呈增大趨勢，但燃弧率均小于2.2%。

3 均流性試驗(yàn)結(jié)果

在某城市實(shí)際運(yùn)營線路上，對已運(yùn)營As車輛受電弓電流數(shù)據(jù)監(jiān)測，4架受電弓的受流數(shù)據(jù)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，4架受電弓電流大小基本一致，均流正常。

4 結(jié)語

該文通過對受電弓碳滑板材質(zhì)的對比分析，確定了As車輛采用浸金屬碳滑板，通過對As車輛弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流的仿真分析，4架受電弓所有接觸壓力滿足要求，驗(yàn)證了雙弓設(shè)計(jì)方案的可行性。通過在某地鐵正線上進(jìn)行弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，接觸力、燃弧率、受流電流參數(shù)滿足要求，驗(yàn)證了雙弓受流的合理性。

參考文獻(xiàn)

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