受电弓结构原理及应用.doc

目录
1. 概述 1
2. 弓网动力学 1
3. 工作特点 2
4. 受电弓结构 2
5. 受电弓分类 3
6. 受电弓的工作原理 4
7. 受流质量 5
7.1. 静态接触压力 5
7.1.1. 额定静态接触压力 5
7.1.2. 同高压力差 6
7.1.3. 同向压力差 6
7.2. 最高升弓高度 6
7.3. 弓头运行轨迹 6

1. 概述
受电弓是电力牵引机车从接触网取得电能的电气设备，安装在机车或动车车顶上。
2. 弓网动力学
弓网动力学研究电气化铁道机车（动力车）受电弓与接触网动态作用关系与振动问题的学科领域。电力机车是通过受电弓滑板与接触网导线间的滑动接触而获取电能的，当运动的受电弓通过相对静止的接触网时，接触网受到外力干扰，于是在受电弓和接触网两个系统间产生动态的相互作用，弓网系统产生特定形态的振动。当振动剧烈时，可以造成受电弓滑板与接触导线脱离接触，形成离线，产生电弧和火花，加速电器的绝缘损伤，对通信产生电磁干扰，更严重的是直接影响受流，甚至会造成供电瞬时中断，使列车丧失牵引力和制动力。而弓网之间接触力过大时，虽可大大降低离线率，但接触导线与受电弓滑板磨耗增大，使用寿命缩短。因此，良好的弓网关系是确保列车稳定可靠地受流的基本前提。弓网动力学的主要任务就是要研究并抑制弓网系统有害振动，确保受电弓与接触网系统相互适应、合理匹配，为不同营运条件（特别是高速运行）下的受电弓与接触网结构选型和参数设计提供理论指导。评价弓网关系和受流质量，一般采用弓网接触压力、离线率、接触导线抬升量、受电弓振幅、接触网弹性系数、接触导线波动传播速度和受电弓追随性等指标。弓网动力学的研究，通常以理论研究为主，并结合必要试验，通过建立受电弓与接触网振动模型来预测上述性能指标，从而改进或调整系统设计。弓网系统最初的动态设计只是基于一些简化的数学模型而进行的，随着列车运行速度的提高，弓网系统的模型越来越复杂，从20世纪70年代开始，计算机作为一种辅助模拟工具被用于弓网系统动力学仿真和优化设计，从而使得弓网动力学研究领域得到极大丰富和发展。
3. 工作特点
（1）受电弓无振动而有规律地升起，直至最大工作高度；
（2）靠滑动接触而受流。要求滑板与接触导线接触可靠，受电弓和接触网特别是接触网要磨耗小，升、降弓不产生过分冲击。
（3）升弓时滑板离开底架要快，贴近接触导线要慢，防弹跳。
（4）降弓时脱离接触导线要快，以防拉弧；落在底架上要慢，以防对低架有过分的机械冲击。
4. 受电弓结构
传动机构
传动机构由传动气缸、缓冲阀、连杆绝缘子、连杆、升弓弹簧和降弓弹簧等组成。
传动气缸是受电弓的动力装置，进气时升弓，排气时降弓。
缓冲阀是控制受电弓升、降弓速度的部件。
型号：DSA250
速度：200km/h
试验速度：250km/h
最大工作电流：1000A
额定电压：25kV
静态接触力（可调节）：70N
输入压缩空气：4--10bar
70 N接触压力下标称气压 ：3.5bar
工作高度 ：940 -- 2850mm
重量：<117kg
升弓时间<10s
降弓时间<6s

1．底架组装 2.阻尼器 3.升弓装置 4.下臂组装
5.弓装配 6.下导杆 7.上臂组装 8.上导杆
图5-1 受电弓结构

5. 受电弓分类
双臂式：双臂式集电弓乃最传统的集电弓，亦可称“菱”形集电弓，因其形状为菱形。但现因保养成本较高，加上故障时有扯断电车线的风险，目前部分新出厂的铁路车辆，已改用单臂式集电弓；亦有部分铁路车辆（例如新干线300系列车）从原有的双臂式集电弓，改造为单臂式集电弓。

单臂式：除了双臂式，其后亦有单臂式的集电弓，亦可称为“之”（Z）（ㄑ）字形的集电弓。此款集电弓的好处是比双臂式集电弓噪音为低，故障时也较不易扯断电车线，为目前较普遍的集电弓类型。而依据各铁路车辆制造厂的设计方式不同，在集电弓的设计上会有些许差异。

垂直式：除了上述两款集电弓，还有某些集电弓是垂直式设计，亦可称成“T”字形（亦叫作翼形）集电弓，其低风阻的特性特别适合高速行驶，以减少行车时的噪音。所以此款集电弓主要用于高速铁路车辆。但是由于成本较高，垂直式集电弓已经没有使用（日本新干线500系改造时由垂直式集电弓改为单臂式集电弓）。

石津式：日本冈山电气轨道的第六代社长，石津龙辅1951年发明，又称为“冈电式”、“冈轨式”。
6. 受电弓的工作原理
（1）升弓：压缩空气经电空阀均匀进入传动气缸，气缸活塞压缩气缸内的降弓弹簧，此时升弓弹簧使下臂杆转动，抬起上框架和滑板，受电弓匀速上升，在接近接触线时有一缓慢停滞，然后迅速接触接触线。
（2）降弓：传动气缸内压缩空气经受电弓缓冲阀迅速排向大气，在降弓弹簧作用下，克服升弓弹簧的作用力，使受电弓迅速下降，脱离接触网。
7. 受流质量
负荷电流通过接触线和受电弓滑板接触面的流畅程度，它与滑板与接触线间的接触压力、过渡电阻、接触面积有关，取决于受电弓和接触网之间的相互作用。
为保证牵引电流的顺利流通，受电弓和接触线之间必须有一定的接触压力。弓网实际接触压力由四部分组成：受电弓升弓系统施加于滑板，使之向上的垂直力为静态接触压力（一般为70N或90N）；由于接触悬挂本身存在弹性差异，接触线在受电弓抬升作用下会产生不同程度的上升，从而使受电弓在运行中产生上下振动，使受电弓产生一个与其本身归算质量相关的上下交变的动态接触压力；受电弓在运行中受空气流作用产生的一个随速度增加而迅速增加的气动力；受电弓各关节在升降弓过程中产生的阻尼力。
弓网接触压力能直观的反映受电弓滑板和接触线间的接触情况，它必须符合正态分布规律，在一定范围内波动。如果太小，会增加离线率；如果太大，会使滑板和接触线间产生较大的机械磨耗。为保证受电弓具有可靠的受流质量，应尽量减小受电弓的归算质量，增加接触悬挂的弹性均匀性。滑板的质量和机电性能对受流质量影响很大。

7.1. 静态接触压力
7.1.1. 额定静态接触压力
它是指在静止状态下，受电弓弓头滑板在工作高度范围内对接触网导线的压力。该值的大小，直接影响受流质量。压力值偏小，受流时离线率高，离线瞬间所产生的电弧，影响着正常的受流，而且使滑板和接触网导线间的表面光滑度恶化，从而加剧摩擦偶件的磨损。此外，接触压力偏小，接触电阻就大，在机车未运动时传导较大电流，会在接触网导线和滑板间产生高温，从而损坏接触导线或滑板。压力值偏大，机械摩擦增大，磨损也随之增加，影响接触网导线和滑板的使用寿命。试验证明：静态接触压力值70N是最佳值。并规定了压力值的允许偏差为±10N。
7.1.2. 同高压力差
它是指受电弓弓头在同一高度下，上升和下降时的静态接触压力差。该值的大小，表征了受电弓各运动铰接部分的摩擦力大小。由于摩擦力始终与运动方向相反，因此当接触网导线向下倾斜而要求弓头滑板跟随着下降时，该摩擦力使接触压力增加。同理，上升时接触压力小。所以为了减小摩擦力，在受电弓中的各铰接部分均装有滚动轴承。TSG型受电弓规定同高压力差不大于15N。
7.1.3. 同向压力差
它是指在工作高度范围内，受电弓上升时和下降时的最大静态接触压力差。该值的大小表征了受电弓的总体调整水平。TSG型受电弓规定该值不大于10N。
7.2. 最高升弓高度
它是指受电弓按其结构所能升起的最高限度。通常该值小些，可以缩小受电弓的总体尺寸。但实际上，从弓头高度为1900mm时的额定压力到最高升弓高度时的零值压力，是逐渐变化的，不可能突变，所以此变化过程所需要的高度是必不可少的。TSGI型受电弓最高升弓高度≥2400mm。
7.3. 弓头运行轨迹
弓头在工作高度范围内应该始终处于机车转向架的回转中心上，这样当机车在弯道运行时，使弓头相对于轨道中心的偏移量最小，以避免弓头滑板偏离接触网，造成失流或刮弓的不良后果。因此要求弓头垂直运动轨迹在工作高度范围内是一直线。对于单臂受电弓，由于结构因素，规定了允许偏差值，在设计时已予以考虑了。