受電弓設計原則研究*

馬果壘，高秀軍，宋 瑤

(北京賽德高科鐵道電氣科技有限責任公司，北京100176)

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

1 受電弓的分類

按照結構類型，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:干線一般會達到120 km/h以上，而地鐵和輕軌一般在120 km/h以下;

④建設地點不同:干線一般為兩個城市之間的線路，而地鐵和輕軌一般限于一個城市內，建設空間有限。

根據干線與地鐵、輕軌線路的不同，其受電弓的主要區別

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干線受電弓一般強制要求擁有自動降弓(ADD)系統，而地鐵和輕軌根據客戶要求;

④地鐵和輕軌由于建設空間的局限，對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，必須考慮高速運行時氣流對受電弓動態性能的影響，這就需要在弓頭處加裝導流板和翼片，而地鐵和輕軌受電弓不需要考慮。

按照驅動方式，受電弓可以分為氣動式受電弓和電動式受電弓，其中氣動式受電弓又可以分為氣囊式和氣缸式。氣缸式和電動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，開環控制閥板控制受電弓和閉環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行過程中，弓網接觸力不能進行自動調整;開環控制閥板控制受電弓是指受電弓在運行過程中，弓網接觸力能夠跟隨速度的變化進行自動調整;閉環控制閥板控制受電弓是指受電弓在運行過程中，能夠實時監測弓網接觸力，進而跟隨速度的變化進行自動調整。

2 受電弓的設計原則

受電弓是弓網關系設計的重要組成部分。只有合理的受電弓方案，才能保證弓網接觸可靠、磨耗小，從而具有良好的受流質量。對于受電弓的要求，其基本原則如下［1-2］:

圖2 受電弓驅動方式

有足夠的工作范圍以滿足接觸網高度的變化;有足夠的電流容量滿足車輛運行要求;有良好的靜態壓力特性。要求弓頭在整個工作范圍內的靜態壓力值滿足標準要求;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、穩定地上升到最大工作高度，對接觸導線不產生過大的沖擊。降弓時為避免拉弧，要求在工作范圍的任何高度上降弓初期動作迅速，降弓終了動作緩慢，沒有易引起損傷的沖擊;有足夠的機械強度。機械強度是受電弓安全工作的基礎，受電弓的整個工作過程幾乎都是振動的;弓頭在車輛前進方向上的縱向偏移量應滿足標準要求;弓頭自由度應滿足網線設計要求，在整個升弓范圍內能夠調整弓頭水平。由于受電弓弓頭的工作隨接觸網高度的變化而變化，在工作高度變化時，應保證弓頭基本水平，如受電弓機構無法保持弓頭的水平運動，將引起滑板接觸不均勻，造成弓頭偏磨和離線;有合理的動力學參數配置，滿足運行速度要求;有良好的氣動力學性能，特別是高速受電弓。滿足低氣動阻力、低氣流擾動和低噪聲的外形設計。開閉口雙向運行的一致性;具有自動降弓功能(設計要求時);結構簡潔，維護方便;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計進行介紹，見圖3。

圖3 受電弓術語

(1)框架15

能使弓頭相對于受電弓的底架在垂向方向運動的鉸接結構。它主要由上框架1、上導桿16、下臂17和下導桿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動。

上導桿16可將弓頭保持水平就位。對它的調整將使弓頭準確地水平置于一個平均工作高度上。這樣有助于實現2個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，且下端安裝有線導板連接至升降系統，通過升降系統的驅動，支撐整個受電弓上升與下降。同時升降系統提供的升弓力通過設置于下臂下端的線導板以保證受電弓具有良好的靜態曲線特性。

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

(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的絕緣子上。

(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)弓頭的長度6

沿機車車輛橫向所測得的弓頭水平尺寸。

(7)弓頭的寬度7

沿機車車輛縱向所測得的弓頭尺寸。單滑板受電弓不適用。

(8)弓頭的高度8

弓角的最低點到滑板的最高點的垂直距離。(9)滑板長度10

沿機車車輛橫向所測得的滑板總長度。

(10)最低工作高度11

受電弓升至設計受流的最低平面時，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

受電弓升至設計受流的最高平面時，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，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)受電弓電氣區域

在落弓位置時，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

提供升弓動力的裝置。

(16)最大升弓高度

升到機械止塊的最大高度(在升弓范圍內沒有任何裝置限制受電弓升高)。

(17)控制系統

為受電弓升降系統提供能源的系統。

4 受電弓設計要求

(1)通用性要求

應借鑒成熟運行產品設計，提高運行可靠性和部件通用性，方便維護。

(2)4連桿機構要求

將單臂受電弓簡化為四連桿機構，見圖4。

為滿足受電弓的工作要求，四連桿機構需滿足:

升弓或降弓時弓頭在工作范圍內相對于垂直線軌跡偏差應在縱向±50 mm內和橫向±10 mm內;四連桿機構應盡可能保證弓頭保持水平;四連桿機構應保證落弓高度和最大升弓高度。

(3)弓頭輪廓要求

弓頭直接和接觸網接觸，接觸網的設計決定了特定的弓頭輪廓。如果弓頭不滿足要求，容易發生弓網事故。

因此，對于特定的受電弓，其弓頭輪廓有特定的規定。我國干線一般選用1 950 mm長弓頭輪廓，見圖5。

圖4 單臂受電弓實物模型簡化為桿件模型

圖5 中國干線鐵路標準弓頭輪廓線

對于地鐵和輕軌受電弓弓頭輪廓根據TB/T 3721－2011和客戶要求執行。

(4)強度設計要求

①橫向剛度

對于干線受電弓應滿足［3-4］

受電弓應升至最高工作位置，當支撐弓頭的框架部分的每側相繼施加300 N的力時，每側位移均不應超過30 mm。每次施加力后，受電弓應沒有永久變形。

對于地鐵和輕軌受電弓應滿足

當支撐弓頭的框架部分的每側相繼施加300 N的力時，每側位移均不應超過表1的規定。每次施加力后，受電弓應沒有永久變形。

表1 地鐵、輕軌受電弓弓頭橫向偏差

②設計強度

在最大設計載荷下，應力值不應超過其材料的屈服強度。

(5)運行速度要求

對于設計的受電弓，根據標準EN 50317DE要求，可以利用質量塊模型對其弓網動態特性進行仿真驗證，具體要求如下［5，6］:根據標準 EN 50367《鐵路應用 受流系統受電弓與接觸網相互作用》的規定:

標準偏差σ≤0.3×Fm

力的平均值 Fm≤0.00097×V2+70

根據標準EN 50119《鐵路設施固定裝置電氣牽引架空接觸線》的規定:

接觸力最大值≤350 N

接觸力最小值 ＞20 N

對于“最大接觸線抬升量”的值，根據國內規定:

最大接觸線抬升量 ＜150 mm

離線率 ＜5%

(6)載流能力校核

對受電弓來說，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，按照經驗兩種滑板材料的載流能力見表2。對于受電弓設計輸入要求的載流能力，可使用表2中數據以及選擇滑板的寬度進行校核。

表2 兩種滑板材料載流能力比較

(7)控制系統設計基本要求

①控制系統中電氣元件需滿足電磁兼容性要求;

②控制系統應考慮能夠進行升降弓時間調整和靜態接觸力調整;

③氣動控制系統管路直徑至少應不小于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為0V4，污染等級為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)規定了海拔1 400 m以下的電氣間隙問題，對于高海拔電氣間隙需要考慮海拔修正。

按照GB 311.1規定，以海拔高度1 000 m作為基準點，對用于海拔高于1 000 m但不大于4 000 m處設備的外絕緣，海拔每升高100 m，絕緣強度約降低1%，其試驗電壓按標準規定應為額定耐受電壓與海拔校正因數KaGB之積。

KaGB=1/(1.1－H/10 000)，H為設備安裝海拔高度，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。對于其要求，按照GB/T 21413.1－2008規定執行。

(9)其他要求

對于干線受電弓，例行和型式試驗應滿足GB/T 21561.1 的規定;

對于地鐵、輕軌受電弓，例行和型式試驗應滿足GB/T 21561.2 的規定。

5 結束語

明確受電弓的設計原則和要求，對于設計或者“尋找”合適的受電弓至關重要。

本文基于對標準和實際運用經驗的研究和分析，提出受電弓的設計原則和要求，規范受電弓的設計方法。

［1］ 馬果壘.受電弓系統研究［D］.成都:西南交通大學，2009.

［2］ 劉紅嬌.受電弓機構幾何參數優化與主動控制的研究［D］.成都:西南交通大學，2002.

［3］ 馬果壘，張衛華，梅桂明.高速受電弓整體結構特性分析［J］.機械強度，2008，2(3):1-6.

［4］ 張衛華.機車車輛動態模擬［M］.北京:中國鐵道出版社，2006:293-336.

［5］ 馬果壘.委內瑞拉鐵路DSA250弓網受流特性分析［J］.鐵道機車車輛，2012，32(2):104-108.

［6］ 王 東.受電弓試驗研究及弓網空間混合模擬試驗臺設計［D］.成都:西南交通大學，2008.