受电弓设计原则研究*

马果垒，高秀军，宋 瑶

(北京赛德高科铁道电气科技有限责任公司，北京100176)

受电弓是电力牵引机车车辆的关键设备，主要由底架、升降系统、上框架、上导杆、下臂、下导杆和弓头等组成，受电弓的功能是保证电流能够从架空线传送到机车车辆的电气系统。

1 受电弓的分类

按照结构类型，受电弓可以分为:单臂受电弓，双臂受电弓。但目前普遍采用单臂受电弓，见图1。

图1 受电弓类型

按照使用地点和功能，受电弓可以分为:干线受电弓和地铁、轻轨受电弓。

干线与地铁和轻轨的区别

①载客(货)量不同:干线最大，地铁次之，轻轨最少;

②适用电压不同:干线一般为25 kV，地铁和轻轨差不多，有3 kV、1.5 kV或者750 V等几种;

③行驶速度不同:干线一般会达到120 km/h以上，而地铁和轻轨一般在120 km/h以下;

④建设地点不同:干线一般为两个城市之间的线路，而地铁和轻轨一般限于一个城市内，建设空间有限。

根据干线与地铁、轻轨线路的不同，其受电弓的主要区别

①干线受电弓一般为气囊升弓，地铁和轻轨则有气囊式，弹簧式和气缸式等形式;

②地铁和轻轨由于电压低，其电流很大，所以其滑板要浸金属滑板或者直接使用铜粉末冶金滑板，而干线铁路其电流相对要小，而且高速下考虑弓头减重，一般采用碳滑板;

③干线受电弓一般强制要求拥有自动降弓(ADD)系统，而地铁和轻轨根据客户要求;

④地铁和轻轨由于建设空间的局限，对受电弓工作范围要求苛刻，即落弓后升起很小即能工作;

⑤干线受电弓，特别是高速线路，必须考虑高速运行时气流对受电弓动态性能的影响，这就需要在弓头处加装导流板和翼片，而地铁和轻轨受电弓不需要考虑。

按照驱动方式，受电弓可以分为气动式受电弓和电动式受电弓，其中气动式受电弓又可以分为气囊式和气缸式。气缸式和电动式受电弓配有升弓弹簧(见图2)。

按照控制方式，受电弓可以分为普通阀板控制受电弓，开环控制阀板控制受电弓和闭环控制阀板控制受电弓。

普通阀板控制受电弓是指受电弓在运行过程中，弓网接触力不能进行自动调整;开环控制阀板控制受电弓是指受电弓在运行过程中，弓网接触力能够跟随速度的变化进行自动调整;闭环控制阀板控制受电弓是指受电弓在运行过程中，能够实时监测弓网接触力，进而跟随速度的变化进行自动调整。

2 受电弓的设计原则

受电弓是弓网关系设计的重要组成部分。只有合理的受电弓方案，才能保证弓网接触可靠、磨耗小，从而具有良好的受流质量。对于受电弓的要求，其基本原则如下［1-2］:

图2 受电弓驱动方式

有足够的工作范围以满足接触网高度的变化;有足够的电流容量满足车辆运行要求;有良好的静态压力特性。要求弓头在整个工作范围内的静态压力值满足标准要求;有足够的电气间隙和爬电距离(与安装绝缘子一起综合考虑);有合理的升弓特性和降弓特性。即能平滑、稳定地上升到最大工作高度，对接触导线不产生过大的冲击。降弓时为避免拉弧，要求在工作范围的任何高度上降弓初期动作迅速，降弓终了动作缓慢，没有易引起损伤的冲击;有足够的机械强度。机械强度是受电弓安全工作的基础，受电弓的整个工作过程几乎都是振动的;弓头在车辆前进方向上的纵向偏移量应满足标准要求;弓头自由度应满足网线设计要求，在整个升弓范围内能够调整弓头水平。由于受电弓弓头的工作随接触网高度的变化而变化，在工作高度变化时，应保证弓头基本水平，如受电弓机构无法保持弓头的水平运动，将引起滑板接触不均匀，造成弓头偏磨和离线;有合理的动力学参数配置，满足运行速度要求;有良好的气动力学性能，特别是高速受电弓。满足低气动阻力、低气流扰动和低噪声的外形设计。开闭口双向运行的一致性;具有自动降弓功能(设计要求时);结构简洁，维护方便;安全可靠，具有较低的全寿命周期成本。

3 单臂受电弓组成

本文就单臂受电弓的设计进行介绍，见图3。

图3 受电弓术语

(1)框架15

能使弓头相对于受电弓的底架在垂向方向运动的铰接结构。它主要由上框架1、上导杆16、下臂17和下导杆18组成。

上框架1一端铰接在下臂上，一端与弓头铰接，用以支撑弓头的垂向运动。

上导杆16可将弓头保持水平就位。对它的调整将使弓头准确地水平置于一个平均工作高度上。这样有助于实现2个碳滑板的均等或均匀磨损。

下臂17是主要承力部件。下臂下端与底架铰链，上端与上臂铰链，且下端安装有线导板连接至升降系统，通过升降系统的驱动，支撑整个受电弓上升与下降。同时升降系统提供的升弓力通过设置于下臂下端的线导板以保证受电弓具有良好的静态曲线特性。

下导杆18的一端连接至底架，另一端连接至上臂。下导杆在受电弓升弓和降弓中引导上臂就位。是底架与上臂之间的连接杆件，具有调整升弓高度以及静态接触力曲线的作用。

(2)底架2

受电弓中支承框架的固定部件，它安装在固定于车顶的绝缘子上。

(3)弓头3

受电弓中由框架支承的部件，它包括滑板、弓角和悬挂装置。

(4)滑板4

弓头中可以更换的磨损部件，它的表面直接和接触网接触。

(5)弓角5

弓头的端部，它用以保证与接触线平滑接触与过渡。

(6)弓头的长度6

沿机车车辆横向所测得的弓头水平尺寸。

(7)弓头的宽度7

沿机车车辆纵向所测得的弓头尺寸。单滑板受电弓不适用。

(8)弓头的高度8

弓角的最低点到滑板的最高点的垂直距离。(9)滑板长度10

沿机车车辆横向所测得的滑板总长度。

(10)最低工作高度11

受电弓升至设计受流的最低平面时，绝缘子顶上的受电弓安装平面到滑板顶面之间的垂直距离。

(11)最高工作高度12

受电弓升至设计受流的最高平面时，绝缘子顶上的受电弓安装平面到滑板顶面之间的垂直距离。

(12)工作范围13

最高工作高度与最低工作高度之差。

(13)落弓高度14

受电弓在落弓位置时，从绝缘子顶上的受电弓安装平面到滑板的最高表面或更高的受电弓的其他部件的垂直距离。

(14)受电弓电气区域

在落弓位置时，受电弓最高带电部位与最低带电部位之间的垂直距离。

(15)升降系统

提供升弓动力的装置。

(16)最大升弓高度

升到机械止块的最大高度(在升弓范围内没有任何装置限制受电弓升高)。

(17)控制系统

为受电弓升降系统提供能源的系统。

4 受电弓设计要求

(1)通用性要求

应借鉴成熟运行产品设计，提高运行可靠性和部件通用性，方便维护。

(2)4连杆机构要求

将单臂受电弓简化为四连杆机构，见图4。

为满足受电弓的工作要求，四连杆机构需满足:

升弓或降弓时弓头在工作范围内相对于垂直线轨迹偏差应在纵向±50 mm内和横向±10 mm内;四连杆机构应尽可能保证弓头保持水平;四连杆机构应保证落弓高度和最大升弓高度。

(3)弓头轮廓要求

弓头直接和接触网接触，接触网的设计决定了特定的弓头轮廓。如果弓头不满足要求，容易发生弓网事故。

因此，对于特定的受电弓，其弓头轮廓有特定的规定。我国干线一般选用1 950 mm长弓头轮廓，见图5。

图4 单臂受电弓实物模型简化为杆件模型

图5 中国干线铁路标准弓头轮廓线

对于地铁和轻轨受电弓弓头轮廓根据TB/T 3721－2011和客户要求执行。

(4)强度设计要求

①横向刚度

对于干线受电弓应满足［3-4］

受电弓应升至最高工作位置，当支撑弓头的框架部分的每侧相继施加300 N的力时，每侧位移均不应超过30 mm。每次施加力后，受电弓应没有永久变形。

对于地铁和轻轨受电弓应满足

当支撑弓头的框架部分的每侧相继施加300 N的力时，每侧位移均不应超过表1的规定。每次施加力后，受电弓应没有永久变形。

表1 地铁、轻轨受电弓弓头横向偏差

②设计强度

在最大设计载荷下，应力值不应超过其材料的屈服强度。

(5)运行速度要求

对于设计的受电弓，根据标准EN 50317DE要求，可以利用质量块模型对其弓网动态特性进行仿真验证，具体要求如下［5，6］:根据标准 EN 50367《铁路应用 受流系统受电弓与接触网相互作用》的规定:

标准偏差σ≤0.3×Fm

力的平均值 Fm≤0.00097×V2+70

根据标准EN 50119《铁路设施固定装置电气牵引架空接触线》的规定:

接触力最大值≤350 N

接触力最小值 ＞20 N

对于“最大接触线抬升量”的值，根据国内规定:

最大接触线抬升量 ＜150 mm

离线率 ＜5%

(6)载流能力校核

对受电弓来说，其载流能力很大程度上取决于滑板的载流能力。目前广泛采用纯碳和浸金属碳两种形式的滑板，按照经验两种滑板材料的载流能力见表2。对于受电弓设计输入要求的载流能力，可使用表2中数据以及选择滑板的宽度进行校核。

表2 两种滑板材料载流能力比较

(7)控制系统设计基本要求

①控制系统中电气元件需满足电磁兼容性要求;

②控制系统应考虑能够进行升降弓时间调整和静态接触力调整;

③气动控制系统管路直径至少应不小于G1/4，以满足流量的要求。

(8)绝缘性能要求(与绝缘子一起考虑)

受电弓的过电压等级为0V4，污染等级为PD4。

AC 25 kV受电弓(海拔低于1 400 m)

电气间隙≥310 mm

爬电距离≥1 000 mm

雷电冲击≥185 kV

高海拔修正

GB/T 21413.1－2008(等同 IEC60077－1:1999)规定了海拔1 400 m以下的电气间隙问题，对于高海拔电气间隙需要考虑海拔修正。

按照GB 311.1规定，以海拔高度1 000 m作为基准点，对用于海拔高于1 000 m但不大于4 000 m处设备的外绝缘，海拔每升高100 m，绝缘强度约降低1%，其试验电压按标准规定应为额定耐受电压与海拔校正因数KaGB之积。

KaGB=1/(1.1－H/10 000)，H为设备安装海拔高度，m。

地铁和轻轨受电弓

地铁和轻轨受电弓多采用直流制式，其电压一般为:DC 3 000 V/1 500 V/750 V。对于其要求，按照GB/T 21413.1－2008规定执行。

(9)其他要求

对于干线受电弓，例行和型式试验应满足GB/T 21561.1 的规定;

对于地铁、轻轨受电弓，例行和型式试验应满足GB/T 21561.2 的规定。

5 结束语

明确受电弓的设计原则和要求，对于设计或者“寻找”合适的受电弓至关重要。

本文基于对标准和实际运用经验的研究和分析，提出受电弓的设计原则和要求，规范受电弓的设计方法。

［1］ 马果垒.受电弓系统研究［D］.成都:西南交通大学，2009.

［2］ 刘红娇.受电弓机构几何参数优化与主动控制的研究［D］.成都:西南交通大学，2002.

［3］ 马果垒，张卫华，梅桂明.高速受电弓整体结构特性分析［J］.机械强度，2008，2(3):1-6.

［4］ 张卫华.机车车辆动态模拟［M］.北京:中国铁道出版社，2006:293-336.

［5］ 马果垒.委内瑞拉铁路DSA250弓网受流特性分析［J］.铁道机车车辆，2012，32(2):104-108.

［6］ 王 东.受电弓试验研究及弓网空间混合模拟试验台设计［D］.成都:西南交通大学，2008.