受電弓的結構與特性

受電弓的結構與特性受電弓的發(fā)展21889年受電弓簡繁簡雙臂菱形對稱結構單臂Z型非對稱結構受電弓-定義3安裝在電氣列車上的一種從一根或幾根接觸線上集取電流的專用設備，由弓頭、框架、底架和傳動系統(tǒng)等部分組成，其幾何形狀可以改變。接觸網是受電弓的“路”。研究受電弓的目的4受電弓與接觸網接觸是電動列車獲得電能的一種方式。良好的弓網關系是保證電氣化列車安全、可靠運行的關鍵技術之一。接觸網是受電弓的“路”。研究受電弓的目的5受電弓幾何特性材料特性力學特性接觸網幾何參數接觸線壽命動態(tài)性能弓網系統(tǒng)受流質量評價診斷接觸網弓網故障受電弓的標準6UIC608UIC794干線車輛受電弓特性與測試地鐵和輕軌車輛受電弓特性與測試國際通用受電弓歐洲高速鐵路網受電弓與接觸網相互作用EN50206-1EN50206-2GBT21561.1軌道交通機車車輛受電弓特性和試驗第1部分：干線機車車輛受電弓GBT21561.2軌道交通機車車輛受電弓特性和試驗第2部分：地鐵與輕軌車輛受電弓國內外受電弓介紹7PS200A8國內外受電弓介紹AMDE型GPU型CX型東南線最高速度380km/hZ型子母弓大西洋線最高速度515.3km/h單層Z型弓東部線最高速度574.8km/h國內外受電弓介紹9GPU型受電弓可用于DC1500V及AC25kV、50Hz兩種供電制式，最大受流可達2000A，最高運行速度300km/h，整套裝置的重量比AMDE輕100kg?？諝鈩恿μ匦粤己?，300km/h時，最大接觸力只有120N；弓頭裝有故障檢測機構，可自動檢測并降弓保護；具有防強風保護接觸線裝置。GPU型受電弓弓頭動態(tài)質量降低到8kg，中央彈簧滑筒的抬升行程為150mm，圓形外形具有良好的空氣動力學性能。受電弓對接觸網的各種振動模式及周圍空氣流的變化均有良好的適應性。GPU型受電弓在法國TGV-A型（大西洋線）、意大利ETR-500型、西班牙AVE型高速動車組上均得到良好的應用。國內外受電弓介紹10CX型受電弓可在一定速度范圍內對接觸力進行多級控制技術，高速時抬升力很小，根據選擇的位置可任意調節(jié)弓頭接觸力；采用電子控制和空氣伺服閥的前饋控制技術；新型合成材料使受電弓減輕重量30%～40%；具有非常優(yōu)良的空氣動力學性能；在DC1.5kV供電制式下，最大受流能力為2500A。LX-160km/hCX-300km/hFaiveley國內外受電弓介紹11國內外受電弓介紹12DSA150——160km/hDSA200——200km/hDSA250——230km/hDSA350SEK——280km/hDSA350G——220km/hDSA380D——330km/hDSA380F——330km/h單臂氣囊升弓寬弓頭分體滑板斜彈簧懸掛STEMMANN-TECHNIKSeimens型號8WL0速度220km/hsiemens+schunk優(yōu)化了框架動力學性能、良好的動力學性能、降低收弓高度、雙向運行。型號SSS400+速度350km/hASP400型—單臂設計—閉環(huán)控制—實時反饋控制SBS65Re160、Re200國內外受電弓介紹中國受電弓的發(fā)展ДЖ-5(蘇)(6Y1)Q3TSG1(1978)AM51UF(8K)TSG3(1993)DSA系列(200、250、380)(Stemmann-Technik)8WL0系列(6YH69、SSS400+)(Siemens+Schunk)LV-2600(6K)M7(6Y2)AM51BU(6G)TSG15/19受電弓13CX-NG(Faiveley)國內外受電弓介紹14H60機車6Y1機車TSG1型TSG3型TSG15型TSG19型國內外受電弓介紹15DSA250DSA200CED180WBL88LV-2600DSA380CX-NGTSG18受電弓的類型與參數單臂弓非對稱結構質量輕雙臂弓對稱結構質量重T型弓空氣動力學特性好二次弓弓網接觸性能受電弓16最高運行速度330公里/小時材料不銹鋼/鋁重量（不包括絕緣件）大約109公斤縱向固定800毫米橫向固定1100毫米最大升弓高度2640毫米最高提升高度(含絕緣子)3000毫米落弓高度(含絕緣子)540毫米弓頭長度1950毫米額定電壓15kV/(25kV)額定載流1000A抬升力70–120N（可調）驅動類型驅動機構氣動升弓驅動風壓5bar升降弓時間

上升

下降

<10秒（可調）

<10秒（可調）受電弓的類型與參數17DSA350SEKDSA150DSA200DSA250TSG3SSS400+設計速度300160200250120350額定電壓25kV25kV25kV25kV25kV25kV額定電流1000A1000A1000A1000A630A700A整弓質量109kg125kg125kg115kg249kg150kg最大升弓高度3000mm3000mm3000mm3000mm3143mm2500mm落弓位高度588mm588mm588mm588mm543mm620mm弓頭長度1950mm1950mm1950mm1950mm2085mm1950mm升弓時間5.4s5.4s5.4s5.4s8s6s降弓時間4s4s4s4s7s6s受電弓的結構單臂受電弓的基本組成(1)框架(2)底架(3)弓頭(4)滑板(5)弓角(6)弓頭長度(7)弓頭寬度(8)弓頭高度(10)滑板長度(11)下部工作位置(12)上部工作位置(13)工作范圍(14)落弓高度18受電弓的結構單臂受電弓的基本結構19受電弓的結構20弓頭框架傳動機構底架受電弓的結構單臂受電弓的基本結構1-充氣彈簧2-下臂桿3-平衡桿4-平衡臂5-弓頭6-上框架7-拉桿8-阻尼器受電弓實物模型受電弓分析模型四連桿機構21兩自由度模型受電弓的組成弓頭結構滑板形式整體雙滑板分體雙滑板單滑板懸掛形式圓彈簧板簧橡膠直線作用斜線作用直線作用扭轉作用單滑板＋直線彈簧整體雙滑板＋橡膠扭簧分體雙弓頭＋板簧22弓頭由滑板、滑板托架、弓角、懸架等幾部分組成，安裝在受電弓框架頂端，隨上下移動，并能繞自身的固定轉軸作少量的轉動?；迨羌娫?，與接觸線滑動接觸完成牽引電能的傳輸。分體雙弓頭＋斜彈簧受電弓的組成弓頭結構23三元與二元的區(qū)別？受電弓的組成24弓頭輪廓受電弓的組成受電弓的滑板25受電弓的組成碳類滑板及其托架斷面26受電弓的組成受電弓的滑板材料27受電弓的組成受電弓的滑板材料電阻率28

國家滑板種類電阻率(μΩ·m)

歐美浸金屬碳滑板(MY7D)8.1

純碳滑板(CY3TA)24.0

中國浸金屬碳滑板8.0

純碳滑板35.0

日本浸金屬碳滑板(MC)9.0

純碳滑板(SW)30.0受電弓的組成弓網受流對滑板的技術要求29

(1)為防止接觸線與滑板間的接觸電阻過大，引起發(fā)熱燒損接觸線和滑板，滑板的材料必須具有良好的導電性能；

(2)接觸線和滑板間必須具有良好的磨擦性和互潤性，以減少維修量、延長設備壽命；

(3)滑板對接觸線或接觸線對滑板二者間不能造成損傷；

(4)滑板應具有良好的韌性、耐沖擊性好，不會因沖擊而發(fā)生缺損或破裂，也不會因工作原因而產生大量粉性物質；

(5)為減小受電弓的歸算質量，提高受電弓的跟隨特性，降低受電弓引起的沖擊和離線率，滑板的質量要輕；

(6)滑板為易耗品，為節(jié)約經費，其價格應低。受電弓的組成德國對受電弓滑板的要求30（1）接觸電阻要?。?）熔點高（3）導熱性良好（4）質量小（5）機械強度高（6）彈性好（7）與銅或銅合金接觸線之間的摩擦系數?。?）便于實現(xiàn)輕量化和標準化受電弓的組成框架升弓力矩加在下面的桿升弓力矩加在上面的桿31雙桿型單桿型框架型受電弓的組成框架方形管圓形管叉形結構32受電弓的組成33傳動機構U型連桿傳動氣缸進氣口轉臂絕緣子緩沖閥升弓彈簧扇形板氣囊桁架扇形板ADD扇形板形狀設計——保證升弓過程中，弓頭具備穩(wěn)定的靜態(tài)抬升力。降弓緩沖阻尼器阻尼器氣囊充氣升弓，放氣降弓彈簧升弓+氣缸降弓受電弓的組成34傳動機構受電弓的組成35傳動機構361、TP/TPB車的側墻2、閥板3、空氣濾清器4、升弓節(jié)流閥5、減壓閥6、壓力表7、降弓節(jié)流閥8、安全閥傳動機構受電弓的組成受電弓的組成371.電磁閥(14)的入口處始終通有壓縮空氣。2.通過操作司機臺上的受電弓提升桿升弓。3.電磁閥(14)得電，允許空氣經空氣濾清器(1)進入節(jié)流閥（升弓）(2)。4.節(jié)流閥(2)允許空氣壓力緩慢進入調壓閥(3)的入口。節(jié)流閥可用于調整升弓時間。5.調壓閥(3)的輸出壓力可調整至預設值3.5bar。減壓閥(3)可調整受電弓與接觸網之間的靜態(tài)接觸力，其精度為±0.02bar。由于氣壓每變化0.1bar會使接觸壓力變化10N，因此減壓閥要有相當高的精確度。6.空氣流入節(jié)流閥(5)，用來調整降弓時間。7.若減壓閥故障，位于氣路上的安全閥(6)可限制空氣壓力。安全閥的設定值是4.5bar。8.壓縮空氣經一系列調整后流至氣囊驅動裝置(12)，然后氣囊驅動裝置使受電弓升起。9.供電線路上還裝有壓力表(4)以顯示減壓閥的出口空氣壓力。傳動機構受電弓的組成升弓力矩保證弓頭靜態(tài)抬力70N氣囊或彈簧——推力或拉力扇形板——力矩變化38受電弓的組成ADD裝置當發(fā)生弓網事故引起碳滑板內部毛細氣管泄露或者中間氣路傳輸通道的毛細氣管發(fā)生破裂時，如果該部分氣體的泄露量大于ADD閥體內部的補給量，會導致該部分迅速減壓，引起ADD內部兩腔體的氣壓不平衡，其結果是ADD閥體迅速打開通向氣囊的腔體，將氣囊內部的空氣迅速的直接排向大氣，引起受電弓快速降弓。39受電弓的組成40DSA350SEKDSA150DSA200DSA250TSG3SSS400+底架不銹鋼鋼鋼鋼鋼鋼上臂桿鋁型材鋁型材鋁合金鋁合金鋼鋁合金下臂桿鑄鋁鋼鋼鋁型材鋼鋁合金平衡桿碳纖維鋁合金鋁合金鋁合金鋼鋁合金拉桿不銹鋼不銹鋼不銹鋼鋼不銹鋼弓頭鈦合金鋁合金鋁合金鋁合金鋼鋁合金受電弓的性能要求對受電弓的總體要求41（1）在各種速度下及多機重聯(lián)牽引時能可靠受流（2）在所有使用條件下、遵守各接觸網規(guī)定的允許抬高（3）在高速時噪聲輻射要小（4）在兩個運行方向上有中性的空氣動力學性能（5）運行超過10萬km時，滑板和接觸線的磨損要?。?）有較高的可使用性（7）維修簡單且費用低受電弓的性能要求受電弓的基本要求弓頭框架升降弓裝置基本要求：上下走直線弓頭不偏擺靜態(tài)接觸恒定單臂受電弓弓頭跟隨性好動態(tài)響應快阻尼合理受空氣影響小噪音小質量輕動力學性能基本要求42不可能為了特定接觸網單純設計受電弓受電弓的基本特性應適合于規(guī)定的應用范圍受電弓的性能要求受電弓的基本要求43弓頭縱向偏移量受電弓的特性受電弓的電氣性能44小接觸面?zhèn)鬏敶箅娏黛o態(tài)接觸電阻弓網系統(tǒng)電弧受流質量電氣磨損溫升電氣參數：額定電流（靜止時、運行時）設計工作電壓絕緣強度受電弓的特性受電弓的力學特性-靜態(tài)接觸力45靜態(tài)接觸力偏差某架SSS400+受電弓靜態(tài)接觸力曲線受電弓的特性受電弓的力學特性-空氣動力46氣流作用導致受電弓產生向上的力弓頭上安裝翼片，均衡兩個方向的空氣動力受電弓的設計使FAER=kv2受電弓的特性受電弓的力學特性-動態(tài)接觸力分力47FDYN=Mtat=-Mt(2π/l)

2v

2et受電弓的特性受電弓的力學特性-接觸力48F=F0±FR+FAER±FDYN受電弓設計接觸網、軌道等弓網接觸力F——受電弓垂直作用到接觸網上的力靜態(tài)接觸力F0

——停車時，傳動機構使受電弓垂直作用到接觸網上的力磨擦力FR

——關節(jié)間磨擦產生的力，與弓頭運行方向相反空氣動力FAER

——氣流對受電弓的作用力動態(tài)分力FDYN

——由垂直振動引起的慣性力FAERFDYNF0FRFwind受電弓的特性受電弓的力學特性-平均抬升力49平均抬升力目標值（AC系統(tǒng)）平均抬升力目標值（DC系統(tǒng)）Fm=F0+FAER=F0+kv2受電弓的特性受電弓的靜態(tài)特性50受電弓的特性受電弓的靜態(tài)特性51額定靜態(tài)接觸壓力；同高度壓力差；同向壓力差；靜態(tài)壓力曲線；工作高度；最高升弓高度；升降弓時間；靜態(tài)接觸壓力受電弓的特性受電弓的動態(tài)特性52不同工作高度受電弓頻響——兩自由度弓頭懸掛控制頻率框架懸掛控制頻率受電弓的特性受電弓的動態(tài)特性53框架（升弓）阻尼對頻響的影響弓頭阻尼對頻響的影響受電弓的特性受電弓的性能優(yōu)化54優(yōu)化目標：（1）確保高速運行條件下的可靠性和安全性；（2）受流質量良好，離線率和電火花在容許范圍之內；（3）平均接觸壓力不超過120N；標準偏差不超過24N；（4）應有盡量長的使用壽命，不低于150~200萬架次。優(yōu)化內容：（1）弓頭垂直運動軌跡；（2）主軸轉矩；（3）維持動態(tài)平衡及升弓彈簧剛度；（4）歸算質量；（5）靜態(tài)接觸壓力。受電弓的特性受電弓的歸算質量55

受電弓的歸算質量是指將整個受電弓的活動部分（如滑板、托架、框架等）的實際質量歸算到弓線接觸點，使整個受電弓具有與受電弓滑板相同加速度的質量，該質量所產生的動能與整個受電弓所產生的實際動能相等。受電弓的歸算質量不是一個常數，它隨受電弓的升弓高度變化而變化。其算法有多種，但均是根據動能相等的原理進行的。

實踐和研究表明：受電弓的歸算質量應控制在8~25千克之間。受電弓的歸算質量越小，它的跟隨特性就越好，適應接觸網的能力也就越強，能有效降低受電弓的動態(tài)振幅。對受電弓而言，歸算質量的作用與接觸網的波動速度對接觸網的作用相當！受電弓的特性雙弓運行時的問題56受電弓的主要試驗57受電弓試驗種類型式試驗例行試驗研究性試驗綜合試驗用于驗證產品的特性時候與型式試驗中的測量結果相一致，供貨商應對每一產品進行例行試驗。應該在指定設計的單個產品上進行。為了獲得補充信息而在某個單項上進行的特定補充性試驗，僅當訂貨合同明確指定時才進行該試驗。只有在運行環(huán)境下才能進行的特定和補充的試驗，該試驗應在訂貨合同規(guī)定使用的軌道和接觸網系統(tǒng)下進行。受電弓的主要試驗58受電弓的靜態(tài)接觸力測量（例行試驗）在一個連續(xù)的升降周期內，在弓頭保持0.05m/s運行速度的情況下，在弓頭懸架下直接測量靜態(tài)接觸力靜態(tài)壓力曲線受電弓的主要試驗59受電弓的升降操作耐久性試驗（型式試驗）裝有最大設計質量弓頭的受電弓，應能承受10000次從落弓位到上部工作高度的連續(xù)升降操作。對于最初的500次和最后的500次操作，傳動系統(tǒng)提供符合規(guī)定的最小能量值時，受電弓應能升到最大伸展位置安裝弓頭的受電弓在上述同樣條件下，在工作范圍內以0.1m/s的速度承受75000次連續(xù)的升降操作（如果裝有阻尼器，應事先被斷開）試驗后，受電弓的所有參數均應能調整到標稱設計值，且無異常磨損、變形或斷裂，并應能滿足使用要求受電弓的主要試驗60受電弓的橫向固有頻率試驗（型式試驗）

受電弓伸展到上部工作位置的75%處，在弓頭支承軸處施加300N的橫向力，使之偏離原來所處的位置，在此位置釋放弓頭，受電弓應自然擺動，擺動的頻率即為受電弓的橫向固有頻率裝有最大設計弓頭質量的受電弓及其絕緣子安裝在受電弓振動試驗臺上，試驗臺產生正弦振動，其振動頻率和振幅均可橫向調整。當試驗完成時，振動臺的振動頻率應比橫向固有振蕩頻率低10%。當受電弓伸展到上部工作位置的75%時，振動臺的振幅應調整到使弓頭支承軸的振動加速度（Γ）為7m/s2。經過107次循環(huán)，受電弓的靜態(tài)接觸力和傳動系統(tǒng)仍應符合技術要求受電弓的橫向振動試驗（型式試驗）受電弓的主要試驗61受電弓的橫向剛度試驗（型式試驗）受電弓升起到上部工作位置高度，當300N的力接連施加在支撐弓頭的框架兩側時，每側的位移不應超過30mm。每次試驗后，受電弓不應產生永久變形。受電弓的主要試驗62受電弓的平均抬升力試驗（綜合試驗）落弓保持力試驗（型式試驗）一般要求受電弓落弓保持力在120N左右！工作高度靜態(tài)抬升力測試落弓保持力測試測力計受電弓的主要試驗63受電弓的其他試驗ADD動作時間測試ADD關閉閥ADD試驗閥ADD動作時間測試應在兩個工作高度進行，1.受電弓最高工作高度；2.落弓位置以上工作范圍的20%處。啟動ADD試驗閥，用電秒表記錄降弓時間，每個工作高度應進行三次試驗，每個工作高度的ADD動作時間都應低于1S的標準值。最高工作高度落弓高度采用電秒表分別記錄三次升弓和降弓時間，受電弓應滿足從落弓高度升至最高工作高度的上升時間不超過10S的要求。升降弓時間測試各類加熱試驗受電弓的主要試驗64受電弓的垂直振動試驗（研究性試驗）將配有正常傳動系統(tǒng)和與服役接觸網相適應的受電弓安裝在垂直方向能產生正弦振動的受電弓振動試驗臺上，振動臺的剛度至少比弓頭懸架的剛度高10倍。對受電弓施加振動，從0.5Hz到10Hz時，振動頻率的最大增加幅度為0.02Hz/s；從10Hz到50Hz時，振動頻率的最大增加幅度為0.1Hz/s。受電弓的靜態(tài)接觸力以及振動臺輸出的正