高速动车组受电弓性能和检测试验台研究

姚 斌 曾侧伦

南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266000

高速动车组受电弓性能和检测试验台研究

姚 斌 曾侧伦

南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266000

本研究主要以目前国内高速动车组和地铁车辆常用高压受流设备件受电弓为对象，依据最新的受电弓性能和试验标准，展开对车辆受电弓的各功能参数和检测各功能参数的设备进行研究，最终试制出受电弓地面模拟试验台，并通过受电弓地面模拟试验台检测得到受电弓性能检测参数报告。

高速动车组；受电弓；性能试验方法；模拟试验台

引言

随着人们生活水平的提高和国内经济对轨道交通事业的依赖，使得我国高速动车组和城市地铁车辆快速发展。为保证车辆设备在实际运行过程中的良好运用以及整体车辆的安全、平稳运营，研究车辆主要设备件的性能特征成为确保车辆各设备件在运营过程发挥更加良好状态的一个必要环节。

动车组及地铁受电弓是整个车辆高电压受流的重要部件，如出现故障整个车辆将失去动力。为提前解决动车组和城市地铁车辆运行中暴露出的问题，通过搭建受电弓试验台，进行地面模拟试验，研究测试掌握受电弓设备件的各种性能参数，以确保车辆的安全运营。

1 理论依据和目标

以目前国内生产的不同类型动车组和地铁用受电弓主要参数为基础，结合机车车辆受电弓特性和试验标准（国际/国家标准）为理论依据，以受电弓特性和试验标准中例行试验各项目为基础，结合各类型受电弓本身特性，以达到对受电弓基本性能参数检测为目的，研究形成受电弓地面模拟试验台，满足不同类型受电弓的装配和试验检测的通用要求和自动采集测量并记录动车组或地铁用受电弓各性能参数等各项功能。

2 研究内容

根据受电弓特性和试验标准中例行试验项目为主体，结合研究目标对受电弓试验台进行研究，其中受电弓特性和试验标准例行试验项目主要有目测检查，集电头长度、高度、外形，受电弓升工高度、时间，静态工作压力，ADD功能检测，垂向振动，横向振动，气密性试验，接触压力，温升试验等试验内容。

根据以上受电弓例行试验项目，形成以下研究主要内容：

1）受电弓性能检测数据参数自动化采集

利用数据采集硬件及编写控制软件程序，实现对受电弓性能检测全过程数据采集的自动化，优化目前对受电弓性能检测手段的弊端。

2）受电弓气密性功能检测

在环境温度下对试验受电弓装置气路充以标称工作气压进行检测的整个气路密封性。气密性检测标准：保压时间10min后，气压压力下降不超过初始压力的5%。

3）受电弓静态升降过程压力检测

在拆下阻尼器情况下，在一个持续的升降周期内，受电弓升降速度预设定为（0.05±0.005）m/s的情况下，在受电弓弓头悬挂件下直接测量静态力，包括载荷量测量、信号处理和数据记录系统等，准确度应不低于3%。

4）受电弓升、降弓时间检测

升弓时间规定从受电弓开始上升时刻算起，升至最高工作高度的上升时间。上升时间标准应不超过10秒。

降弓时间规定从受电弓最高工作高度下降时刻算起，降至最低工作高度的下降时间。

5）受电弓气压可连续性控制

采用气压比例阀，软件控制气压比例阀从0kPa至1MPa之间任意调节，实现受电弓给定气压的连续性控制。

6）受电弓ADD功能试验

在受电弓升至落弓位置以上工作范围的20%时（或最大工作高度），模拟ADD功能故障，受电弓ADD因气路故障而降弓，测量从信号产生至降到最低工作高度（考核高度以下20cm处）的反应时间，应≤1s，且ADD动作正常。

7）受电弓动作特性曲线实时显示

编写受电弓动作特性检测软件，实时显示受电弓动作压力和高度关系曲线。

8）受电弓动作特性及数据参数存储和打印

编写受电弓动作特性数据采集软件，同时可根据需要记录储存数据参数和打印输出试验检测报告。

3 研究方法

3.1 动作过程的研究方法

受电弓动作过程包括受电弓的上升及下降动作过程，连接外部风源通过受电弓阀板给测试用受电弓供风，在提供设定的风压情况下，用软件控制受电弓升弓电磁阀进行通断，使受电弓气囊充气，受电弓上升；用软件控制受电弓降弓电磁阀进行通断，使受电弓气囊排气，受电弓下降；

ADD功能模拟动作过程，由于试验受电弓未出现有本身漏气，为模拟受电弓ADD功能试验，在气压保压箱内加设一个ADD泄气电磁阀，通过控制泄气电磁阀的通断，来实现受电弓ADD功能模拟动作。

3.2 数据检测、采集的研究方法

受电弓试验台对受电弓检测的基本参数是：风压，受电弓动作静态力，受电弓升降高度。速度的控制和采集、受电弓动作时间的采集，都可以通过硬件对变量的采集记录和模拟计算获得。

·风压检测和采集：通过安装在风管路的压力传感器获得，并直接传给控制软件显示。

·受电弓动作静态力采集：通过设置在控制箱内的拉力传感器、滑轮、钢丝绳和伺服电机传动系统共同构成静态力检测系统；在受电弓静止时，静态力=测量力/2+挂件重量+钢丝绳重量。仪表显示的数值为实际传感器测得的力量的一半，同时反馈给控制软件进行实时显示和曲线的绘制。

·受电弓升降行程和高度数据采集：通过记录伺服电机编码器脉冲数获得受电弓的动作行程，同时记录两个位置点，通过编码器计算得出受电弓升降高度，同时将计算得出的数据直接反馈给控制软件并显示。

·受电弓升降时间数据采集：通过对光电开关和限位开关，对受电弓动作开始时间和结束的时间间隔,PLC记录所得。

·受电弓静态力检测时升降速度的控制：监测电机编码器脉冲数，速度=单位时间内位移。

实验过程中，伺服电机通过滑轮组将受电弓拉住；以固定速度(0.05±0.005）m/s运行，拉力传感器测出的拉力代表了受电弓向上的力量，也就是实际中对接触网的压力。受电弓带动钢丝绳上升或下降，钢丝绳的行程即为受电弓的高度。

空气压力传感器检测供气回路气压。人工调节空气压力，或者使用伺服阀控制气压，可以获得不同的受电弓上升静态力和高度。

ADD试验和自由升降时，按设定的高度用一根软绳挂住受电弓，通过行程开关记录受电弓的下降开始和停止，测得其动作时间。

3.3 地面模拟试验台基本构成

地面模拟受电弓试验台（以下简称试验台）由试验台固定底座、受电弓安装柱、安装过渡板、试验控制箱、保压控制箱、阀板放置工装、上位机等七部分组成，下图1为受电弓地面模拟试验台系统结构图：

图1

4 研究结果

通过研究的内容和研究的方法过程，最终得到检测高速动车组及地铁用受电弓性能的检测地面模拟受电弓试验台，下图2为测试检测受电弓数据参数时的试验过程流程图。

4.1 结构特点

试验台安装过渡板以多种受电弓类型参数为理论依据进行结构设计，能对动车组DSA250、DSA380、TSG18、QG-120等多种类型受电弓进行试验。

4.2 技术指标

·额定输入电压：

AC220V(1±10%)

频率：50HZ±1HZ

·功率：不大于500W

·供压范围：0～1MPa

·拉力测量范围：(0～150)N

精度：±1N

·最大升弓高度测量范围：(0～4000)mm 精度：±10%

·压力传感器非线性度：0.5%

·升降弓速度：(0.05±0.005)m/s

·升降弓时间精度：0.1s

·系统采集、反馈时间：小于50ms；

·系统测试精度：2‰

图2

4.3 软件设计

试验台控制系统采用西门子PLC和WINCC V7软件设计。控制上采用上位机和红外线遥控两种方式操作，其主要技术特点如下：

·准确检测受电弓气路的密封性能。

·准确测量出受电弓的最大升弓高度。

·准确测量出受电弓上所加的静态压力。

·实时给出升降弓时力与高度的静态特性曲线。

·实时显示气压变化曲线。

·自动测试受电弓升降弓时间。

·准确测量受电弓起始压力值。

·模拟ADD故障并采集反应时间。

·试验过程故障查询。

·测试结果存储、打印输出。

5 研究结语

试验台的结构设计解决了以往试验台在地面试验仅针对一种结构的受电弓弊端，完全兼容目前装车使用的动车组和地铁受电弓，为一综合试验台；控制方式智能化、多样化、人性化，上位机操作界面清晰易懂；试验数据及测试曲线自动采集，实时显示并打印。

10.3969/j.issn.1001-8972.2013.07.049

姚斌（1982.06-）.男，汉族，本科，现就职于南车青岛四方机车车辆股份有限公司，工程师，从事车辆高级检修工作；

曾侧伦（1983.04-）.男，汉族，本科，现就职于南车青岛四方机车车辆股份有限公司，工程师，从事车辆调试工作。