機車受電弓解凍系統設計

孫　彪

(呼和浩特鐵路局科研所， 呼和浩特 010030)

在低溫寒冷天氣下，經常發生機車受電弓結冰情況，致使受電弓不能正常升弓。經過大量的現場分析可知，導致受電弓凍結的原因大致有兩種：一是機車在低溫天氣運行時，受流的受電弓滑板迎風面撞擊冷空氣，由于滑板溫度高于環境溫度，導致受電弓滑板迎風面冷凝產生大量的雪狀冰，當受電弓降弓后，由于受電弓初始升弓拉力無法克服結冰后弓頭重力，無法正常升弓。二是在降雪天氣時，降弓狀態下受電弓部件之間發生結冰，而升弓拉力不足以破壞結冰，導致不能正常升弓。

目前，常用的解凍方法是將故障機車拉至暖庫內將結冰融化，或者由工人在接觸網下用絕緣木桿捅受電弓弓頭[1]，這兩種辦法都費時費力，并且還有安全隱患。所以，為解決受電弓解凍難題，設計了一套受電弓解凍系統。

1　解凍裝置設計

受電弓解凍裝置是由氣缸組件、控制系統及輸氣管路組成。系統采用機車輔助風缸風源，通過安裝在受電弓底架上的氣缸，給弓頭一個頂升力，破除受電弓結冰。同時，也可將弓頭頂升一定高度，輔助原升弓系統克服最艱難的初始升弓阻力[2]，特別是克服弓頭結構大量結冰的額外重力，以實現順利升弓。以國內大部分機車采用的DSA200型單臂受電弓為研究對象，進行系統結構設計，對于其他類型受電弓，只需對該解凍系統氣缸組件稍作修改，便可加裝應用。

受電弓氣動頂弓系統主要由氣缸組件、油霧分離器、控制閥、減壓閥、銅管、高壓軟管及氣動連接件等組成。

1.1　氣缸組件設計

氣缸組件由氣缸、連接組件及頂盤組成，安裝在受電弓底架上，是頂升系統的執行部件，如圖1所示。

圖1　氣缸組件結構圖

(1)氣缸:

北方冬季氣溫較低，最低可達零下30℃，選擇的氣缸必須具有耐低溫特性。由于受安裝位置尺寸限制，連接組件的邊長不超過50 mm。降弓后，弓頭落在兩個彈性支撐組件上，氣缸組件和彈性支撐組件都安裝在受電弓弓頭臂管正下方[3]，所以，氣缸組件高度必須低于受壓后彈簧支撐組件高度，避免弓頭臂管會與氣缸頂盤發生碰撞。綜合考慮各因素，氣缸性能必須滿足以下要求，如表1所示。

表1　氣缸性能要求

(2)頂盤：安裝在氣缸活塞桿上，在氣缸活塞的作用下，將受電弓弓頭頂起。頂盤下端面開M10的螺紋孔，與氣缸活塞桿通過螺紋連接。為防止頂盤脫落，用直徑為3 mm的銷軸將頂盤與活塞桿固定。

(3)連接組件：連接組件由上下兩塊方形連接板組成，上連接板與氣缸底座，及兩塊連接板之間都用螺栓連接；下連接板與受電弓底架用放松螺母連接固定。

1.2　控制系統設計

控制系統作業時對氣源進行干燥去油霧，調節氣壓，控制開閉，實現對氣缸的頂升和泄壓控制。系統主要由控制塞門、油霧分離器、減壓閥及手動控制閥組成。控制系統結構如圖2所示。

圖2　控制系統結構圖

系統工作氣壓一般在0.4～0.6 MPa之間，通過減壓閥來調節。采用三位中泄式手動控制閥，控制系統氣動頂弓作業。控制系統各部件之間采用G1/4外螺紋轉接頭連接。

2　氣源選取及輸氣管路設計

2.1　氣源選取及接入

(1)氣源選取

機車共有3條風路可以提供給受電弓進行升弓，分別來源于總風缸、控制風缸和輔助風缸[4]。機車正常運行時，由總風缸給受電弓提供升弓風源；在機車小輔修中需要升弓測試或停放后重新投入使用時，如總風缸壓力較低，而控制風缸風壓大于500 kPa時，可打開塞門97，利用控制風缸給受電弓提供升弓風源；當機車停放時間較長，總風缸和控制風缸風壓都較低時，可啟動輔助壓縮機，利用輔助風缸給受電弓提供升弓風源。

受電弓可能在臨時停車、換端作業或室外長時間停放等情況下發生凍結。綜合考慮受電弓可能凍結的各種情況，以及升弓風源類型，選擇具有獨立壓縮機供風的輔助風缸作為解凍系統風源。

(2)氣源接入

按照盡量減少對機車原有氣路結構改動，且不影響機車原有各項功能的設計思路，在輔助風缸主管路與控制輔助風缸雙針壓力表管路接口處，加裝一個三通閥，引出一路氣源給受電弓頂弓系統。在引出的氣源管路上安裝一個球閥，控制頂弓系統的氣源，平時該閥門關閉，當受電弓凍結后需要頂弓操作時打開。

2.2　輸氣管路設計及安裝

(1)輸氣管路設計

系統從輔助風缸管路取風，經過系統控制柜，穿過機車車頂，最后輸送給安裝在受電弓底架上的頂弓氣缸。輸氣管路原理如圖3所示。

圖3　頂弓系統氣路流程圖

(2)輸氣管路安裝

頂弓氣缸安裝在車頂受電弓底架上，所以需在機車頂板上開孔，將機車內輔助風缸的氣體輸送給頂弓氣缸。采用機車原受電弓升弓氣路貫穿車頂的安裝方式，即在車頂上開孔，將兩端都是內螺紋套管，用環形焊接的方式焊接密封。

頂弓系統從輔助風缸管路取風，采用外徑為8 mm、壁厚1 mm的銅管，將其輸送至安裝在配電柜外側壁的控制柜。控制柜與貫穿車頂的套管間，由于距離較長，所以采用高壓軟管連接，沿著配電柜上邊緣布置，沿途用尼龍扎帶與已有管路綁扎固定。

在機車頂部，受電弓架上亦采用外徑8 mm、壁厚1 mm 的銅管作輸氣管路，在原固定受電弓氣源管路管夾處，加裝一個新的管夾來固定輸氣銅管。銅管一端與貫穿車頂螺紋套管之間，采用耐特高壓的絕緣軟管連接，以確保受電弓與車頂之間的絕緣性；銅管另一端與氣缸進氣孔通過專用接頭連接。受電弓架上氣缸組件及氣動管路布置安裝情況，如圖4所示。

圖4　受電弓架上氣缸組件安裝 及管路布置圖

3　試驗驗證

2016年11月在呼和浩特鐵路局包西機務段車間，對受電弓解凍裝置進行了現場試驗。

利用風泵代替機車輔助風缸為系統提供風源，整套設備按照在機車上的設計原理安裝連接，試驗結論如下：

(1)頂弓裝置與由受電弓彈簧支撐裝置結合使用，在受電弓降弓狀態下，弓頭臂管不會與氣缸頂盤發生硬接觸。

(2)系統壓力為0.5 MPa時，頂弓氣缸的頂升力為618 N；當控制系統壓力為0.6 MPa時，頂弓氣缸的頂升力為745 N；系統壓力在此范圍內，即可滿足受電弓一般凍結狀態下的解凍要求。

(3)受電弓解凍系統可破除受電弓弓頭結冰，并輔助原升弓系統克服初始升弓階段阻力。

(4)系統安全性高，實用性強，加裝方便，對機車原有功能不產生影響。