高速受電弓概況及發(fā)展

侯艷　張武

摘要：本文以高速鐵路受電弓的特點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，主要以高速鐵路技術(shù)比較先進(jìn)的德國、日本和法國高速受電弓為例。介紹了當(dāng)今主流高速受電弓的特性及優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)我國高速鐵路目前所使用的受電弓的狀況進(jìn)行了分析，最后為我國高速受電弓的研發(fā)方向提出了幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；受電弓；特性

0.引言

無論是從交通運(yùn)輸是經(jīng)濟(jì)進(jìn)入現(xiàn)代增長所依賴的最主要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件這一運(yùn)輸發(fā)展理論，還是從我國正處于經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)快速發(fā)展的重要時(shí)期，鐵路“瓶頸”制約矛盾非常突出這一國情世紀(jì)出發(fā)，以及世界鐵路歷史的發(fā)展證明，高速鐵路是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的必然趨勢。因此我國現(xiàn)已制定出一系列發(fā)展規(guī)劃，大力發(fā)展高速鐵路。

然而由于高速鐵路開行速度高（設(shè)計(jì)開行時(shí)速250公里以上，初期運(yùn)營時(shí)速200公里以上），高速鐵路需要一系列配套技術(shù)的支持，如適用于高速鐵路的路網(wǎng)及信號(hào)系統(tǒng)、高速受電弓、高速轉(zhuǎn)向架、符合動(dòng)力學(xué)性能的車體等，其中受電弓作為機(jī)車的受流器件，在弓網(wǎng)系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位，其受流性能的優(yōu)劣直接影響所取電流的可靠性，直接影響電力機(jī)車的工作狀態(tài)。

1.高速鐵路受電弓概況

電力機(jī)車在中高速運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)比常速下嚴(yán)重的一些問題，如：弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸壓力變化大、離線率高、拉弧現(xiàn)象嚴(yán)重等等，為克服這些問題，各國研究人員已經(jīng)研發(fā)出了適合各國自己國情的高速受電弓。

德國ICE1、ICE2系列高速列車使用的DSA 350 SEK型受電弓，精選合金制成，通過合理選擇等臂平衡桿彈簧及組裝，減輕了受電弓的質(zhì)量，其質(zhì)量輕（僅為106kg），并且在其上臂桿與等臂桿的適當(dāng)位置安裝有可變化的導(dǎo)風(fēng)板，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)風(fēng)板活節(jié)距離及角度，便可使受電弓升浮力穩(wěn)定，從而保證了良好的受流效果。該受電弓上還裝有自動(dòng)降弓裝置（AS），當(dāng)弓網(wǎng)發(fā)生故障而損壞碳滑板時(shí)，壓縮空氣經(jīng)碳條滑板下與控制受電弓的壓縮空氣直接相連的通道釋放，在不到1秒的時(shí)間內(nèi)便可將弓頭將至落弓位，及時(shí)避免受電弓及接觸網(wǎng)繼續(xù)受到損害，同時(shí)，該裝置還可將故障信號(hào)迅速傳給在牽引系統(tǒng)重聯(lián)的令一臺(tái)機(jī)車，使其受電弓降落，切除整個(gè)故障。DSA 350 SEK型受電弓在機(jī)車運(yùn)行速度為280km/h時(shí)雙機(jī)牽引能達(dá)到規(guī)定要求。

ICE3系列高速列車使用的DSA 380型受電弓弓頭支撐部分采用鈦合金，并有獨(dú)特的空氣動(dòng)力翼片設(shè)計(jì)，受電弓弓頭長1950mm，滑板長1576mm，質(zhì)量不超過130kg，受電弓控制單元將來自車兩側(cè)的壓縮空氣調(diào)整為適合受電弓正常工作的氣壓，安裝在閥板上的壓力開關(guān)能夠?qū)⑹茈姽墓ぷ鳡顟B(tài)反饋給車輛，其控制系統(tǒng)性能良好，在運(yùn)行過程中未出現(xiàn)過由于控制系統(tǒng)原因而導(dǎo)致其它設(shè)備損害的現(xiàn)象。另外，該型受電弓的自動(dòng)降弓裝置可對(duì)碳滑板的使用情況進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)滑板受損時(shí)壓縮空氣會(huì)通過自動(dòng)降弓裝置的快速降弓閥（SV1）中迅速排出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)降弓，避免事故擴(kuò)大化。

日本新干線上所采用的的PS200A型受電弓，滑板材料為銅基粉末冶金，上下框架用異型鋼板焊接，弓頭結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，弓頭歸算質(zhì)量6.93kg，可滿足200km/h以上的受流需求，且能較好地抑制弓網(wǎng)電弧的發(fā)生，在受電弓上放置有小型受電弓的二段式受電弓，減小了歸算質(zhì)量，同時(shí)加大了接觸導(dǎo)線的張力，從而提高了框架的上下振動(dòng)固有頻率及弓頭上下振動(dòng)的固有頻率，降低了離線率。

法國國鐵大西洋新干線中采用的GPU型單層受電弓最高運(yùn)行速度可達(dá)515.3km/h，CX型受電弓可根據(jù)車速的變化自動(dòng)調(diào)整接觸壓力，使得弓網(wǎng)的跟隨性大大提高，從而減少了電弧的產(chǎn)生，X系列受電弓采用合成纖維弓頭，使得質(zhì)量減輕了30%-40%，采用氣墊支撐裝置和高性能空氣調(diào)整裝置，使用有限元分析法及模擬技術(shù)提高了動(dòng)態(tài)重量和受流質(zhì)量。

我國高速動(dòng)車組目前使用的DSA250型高速受電弓，設(shè)計(jì)速度200km/h，試驗(yàn)速度250km/h，滑板材料為純碳質(zhì)，能很好地與銅合金接觸線相匹配，該型受電弓采用氣囊驅(qū)動(dòng)，裝有ADD自動(dòng)降弓裝置，精密調(diào)壓閥可以用來調(diào)節(jié)受電弓與接觸網(wǎng)之間的靜態(tài)接觸壓力，單相節(jié)流閥可以調(diào)節(jié)升降弓時(shí)間。通過吸收德國SSS400+型受電弓技術(shù)國產(chǎn)化的TSG19型受電弓，優(yōu)化了框架的動(dòng)力學(xué)性能，降低了受電弓高度，能滿足雙向運(yùn)行350km/h的要求。

我國目前受電弓的生產(chǎn)仍以中外合作為主，雖對(duì)受電弓的部分部件能夠進(jìn)行國產(chǎn)化，但核心部件仍依賴國外。因此要想在受電弓研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)上獨(dú)立，同時(shí)開發(fā)出性能更加優(yōu)越、適用于更高速列車的受電弓，我們必須進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)新型的高性能受電弓。

2.高速鐵路受電弓發(fā)展方向

（1）縮小弓頭尺寸

相比于法國交流鐵路所使用的高速受電弓，我國目前使用的受電弓弓頭輪廓較大，因此弓頭質(zhì)量和空氣阻力就比較大，這兩種因素成為弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能提升的負(fù)擔(dān)，所以我們可以研發(fā)外形尺寸較小的高速受電弓。

（2）翼形弓頭

可根據(jù)仿生學(xué)原理在橢圓形截面上支撐一個(gè)翼形弓頭，效仿鷹的翅膀在空中飛翔，以提高受流性能：還可以考慮合理改變受電弓罩的形狀，在保證受電弓周圍氣流平穩(wěn)的情況下進(jìn)一步減小空氣阻力和氣動(dòng)噪聲。

（3）主動(dòng)控制

在受電弓滑板下加裝力傳感器和加速度傳感器，分別用以檢測受電弓接觸壓力和系統(tǒng)矯正，滑板下安裝一個(gè)響應(yīng)接觸線高度變化和振動(dòng)的執(zhí)行器，力傳感器測得的接觸力與理論值的差值輸入到控制器，輸出信號(hào)給執(zhí)行器調(diào)節(jié)受電弓的抬升力，使弓網(wǎng)間接觸力在規(guī)定范圍內(nèi)。

這種受電弓有良好的跟隨性，可以減少離線和拉弧，改善受電弓的動(dòng)態(tài)特性。