電子科學(xué)與技術(shù)選修課論文受電弓的應(yīng)用

1、電子技術(shù)與實(shí)踐課程論文姓名：馬 強(qiáng)班級(jí)：計(jì) 科 1206 學(xué)號(hào)：12281148日期： 2013年 12 月 12 日北 京 交 通 大 學(xué)受電弓在高速動(dòng)車組上的應(yīng)用馬強(qiáng)北京交通大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院摘要： 受電弓是電力機(jī)車從接觸網(wǎng)獲取能量的裝置。對(duì)于受電弓優(yōu)化性能的研究，對(duì)于高速動(dòng)車的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。受電弓在動(dòng)車行駛的過程中降低能耗可以提高能量利用率，本文將通過對(duì)高速動(dòng)車受電弓的結(jié)構(gòu)分析，簡(jiǎn)單了解受電弓的發(fā)展和工作原理等。關(guān)鍵詞： 受電弓的結(jié)構(gòu)，受電弓的發(fā)展，工作原理0 引言隨著全世界范圍內(nèi)鐵路運(yùn)輸事業(yè)的不斷發(fā)展,，發(fā)展高速鐵路是交通運(yùn)輸?shù)挠忠话l(fā)展方向。高速鐵路一般電力為主。 高速

2、鐵路需要一系列高速配套技術(shù):適應(yīng)高速的路網(wǎng)及信號(hào)系統(tǒng)、高速受電弓、高速轉(zhuǎn)向架、列車制動(dòng)系統(tǒng)、符合動(dòng)力學(xué)性能的車體等等。高速受電弓是高速鐵路的重要部件,在受流中作為弓網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵電器。1 受電弓的基本結(jié)構(gòu)1.1 法國：法國東南新干線采用 amd型e 受電弓，于 1981年2月26日創(chuàng)造了 380 km/h 的世界紀(jì)錄， amde型受電弓為雙層小開度型（或稱子母弓）受電弓，接觸壓力為7080 n ，采用碳滑板，歸算質(zhì)量為 9 kg。為了更好地適應(yīng) 400 km/h以上速度的受流需要， 抑制弓網(wǎng)電弧的產(chǎn)faiveley 公司研制的新式 gpu型單層受電弓在法國國鐵(sncf)大西洋新干線中采用，于1

3、990年5月18日創(chuàng)造了 515.3 km/h的世界紀(jì)錄。 cx型受電弓是 faiveley公司研制的另一種高速受電弓，其 可隨車速的變化而自動(dòng)調(diào)整接觸壓力，使弓網(wǎng)的跟隨性大大提高，從而減少電弧的產(chǎn)生。faiveley公司研制的 x系列受電弓自 1990年以來經(jīng)歷了長(zhǎng)期的試驗(yàn)過程。該受電弓采用合成纖維弓頭， 重量減輕了 30% 40%，使用有限元分析法和模擬技術(shù)使動(dòng)態(tài)重量和受流質(zhì)量得到 了顯著的改善，受流質(zhì)量的提高自然就降低了弓網(wǎng)電弧的發(fā)生率。x系列受電弓均采用氣墊支撐裝置和高性能空氣調(diào)整裝置，關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)不受運(yùn)行速度和方向的影響。為適應(yīng)特別需要，既可安裝高上升度弓頭滑板，又可安裝低上升度弓頭滑

4、板，使維修量大為減少。1.2 日本日本在新干線上采用的是ps200系列受電弓。 該系列受電弓為雙臂菱形受電弓，采用彈簧升弓氣動(dòng)降弓的操作方式，單弓頭，銅基粉末冶金滑板，上下框架采用異型鋼管焊接，縱向（順線路方向）框架折疊尺寸為850 mm，追蹤范圍為 500 mm，受電弓基座加蓋整流罩；弓 頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 重量輕， 可滿足 200 km/h以上的受流需要， 并且較好地抑制了弓網(wǎng)電弧的發(fā)生。ps200a型受電弓為雙向作用阻尼器，單弓頭， 用于 0系電動(dòng)車組， 弓頭歸算質(zhì)量為 6.93 kg架歸算質(zhì)量為 9.17kg，接觸壓力為 54 n+15 n。ps201型受電弓用于 200系電動(dòng)車組，為單向用

5、阻尼器，單弓頭， 2塊滑板相互獨(dú)立支撐，弓頭歸算質(zhì)量為10 kg ，框架歸算質(zhì)量 10.19 kg， 接觸壓力為 54 n+15n。ps204型受電弓用于 400系電動(dòng)車組，為單向作用阻尼器，單弓頭，2塊滑板相互獨(dú)立支撐， 弓頭歸算質(zhì)量 9.68 kg，框架歸算質(zhì)量 9.17 kg，接觸壓力為 54 n+15 n。1.3 德國德國的高速鐵路采用 sbs65型受電弓。 為了進(jìn)一步提高行車速度， domier 公司研制了新式的 dsa-350s型受電弓，該弓具有以下特點(diǎn)：(l)備用控制高速時(shí)空氣抬升力的穩(wěn)定器；(2) 盡可能減小滑板的重量，導(dǎo)角用薄壁管子制成；(3) 2塊滑板互相獨(dú)立，由框架支持；

6、(4) 滑板的支持為伸縮型，行程可達(dá)50 mm;(5) 滑板采用碳滑板，重量較輕；(6) 采用氣墊支撐和高性能空氣調(diào)整裝置。該受電弓設(shè)計(jì)速度為 350 km/h ，可隨車速的變化在一定范圍內(nèi)對(duì)接觸壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，使弓網(wǎng)的跟隨性進(jìn)一步提高，弓網(wǎng)電弧就更不易產(chǎn)生。可以看出，通過改進(jìn)受電弓的彈性系統(tǒng)、減輕弓頭重量、 增加主動(dòng)控制方式等提高受電弓弓頭的跟隨性能降低離線率，從而減少弓網(wǎng)電弧的發(fā)生。日本規(guī)定高速鐵路受電弓離線率控制在5%以內(nèi)，最高不超過20%; 德國規(guī)定高速鐵路受電弓離線率控制在5%以內(nèi)。但根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)， 高速鐵路的離線率應(yīng)當(dāng)在0.14%范圍以內(nèi)。2 受電弓滑板的發(fā)展受電弓滑板是電力機(jī)車

7、獲得動(dòng)力來源的重要集電元件，滑板質(zhì)量是影響受流質(zhì)量的一個(gè) 關(guān)鍵因素， 而受流質(zhì)量又直接關(guān)系到弓網(wǎng)電弧的產(chǎn)生?；灏惭b在受電弓最上部，直接與接觸線接觸。 滑板在靜止或滑動(dòng)狀態(tài)下從接觸線上獲得電流，為機(jī)車供應(yīng)電力， 維持其正常運(yùn)行，一般傳導(dǎo)電流為 100 400 a。隨著列車速度的不斷提高（目前國際上最高商業(yè)運(yùn)行速度已接近 400 km/h，弓網(wǎng)相對(duì)滑動(dòng)速度約iiim/s），要求受電弓滑板的綜合性能也越來越高，世界各國對(duì)電力機(jī)車受電弓滑板尤其是滑板材料的研究也在不斷深入。2.1 前蘇聯(lián)1969 年，前蘇聯(lián)在 l 500 v直流電氣化鐵道區(qū)段上開始試用粉末冶金滑板。1972-1976年，在保加利亞、

8、匈牙利、東德、波蘭、前蘇聯(lián)和捷克等國對(duì)完善電氣化鐵道的接觸網(wǎng)及受 流問題進(jìn)行的綜合科學(xué)技術(shù)研究中，針對(duì)粉末冶金滑板進(jìn)行了專門研究并在適宜區(qū)段推廣應(yīng)用，其中前蘇聯(lián)對(duì)鐵基粉末冶金滑板的研究更為深入。2.2 歐洲在歐洲， 法國的 tgv，德國的 ice，西班牙的 ave都是著名的高速列車， 它們和日本的新干線高速列車被認(rèn)為代表現(xiàn)代鐵路的最高水平，并不斷刷新列車速度的最高紀(jì)錄。德國ice (250 km/h)自1991 年運(yùn)行以來，一直使用純碳素滑板，其磨耗率為0.17 0.22 mm/kkm 。法國tgv最高時(shí)速達(dá) 300 km， tgv東南線 (270 km/h)以前曾用過鋼滑板， tgv大西洋線

9、以前采用 鋼和碳滑板 2種，現(xiàn)在 tgv普遍采用碳滑板，其受電弓用的碳一石墨滑板的磨耗率為0.25 0.54 mm/kkm ，壽命可達(dá) 30萬km以上。在英國，電氣化鐵道傳統(tǒng)上使用的浸金屬碳滑板，其新開發(fā)的純碳素滑板具有電阻率低、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，磨耗率為0.25 0.54 mm/kkm 。2.3 日本日本受電弓滑板材料大致經(jīng)歷了由純銅、石墨、燒結(jié)合金材料到浸金屬碳滑板4個(gè)過程。日本電氣化鐵道剛開通時(shí)，列車的平均速度低于64 km/h ，主要使用的是純銅受電弓滑板，具有機(jī)械強(qiáng)度高、 使用壽命長(zhǎng)、 成本低、 引發(fā)弓網(wǎng)事故幾率小等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是其親和力大， 與接觸線之間易引起粘著磨損，且損耗嚴(yán)重。 1

10、925年開始，日本為了節(jié)約有限的銅資源，開發(fā)了導(dǎo)電性與自澗滑性較好的石墨滑板材料，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)接觸線的磨損小。但是由于石墨存在電阻系數(shù)較大、集電容量小、耐沖擊性差等問題，所以在1949-1951 年，日本又研制了銅系合金燒結(jié)滑板材料 (bb) ，其阻系數(shù)比石墨滑板小，沖擊韌性也有所提高。1953年以后，日本又先后研制磷銅合金燒結(jié)滑板材料(tc103) 、鐵系合金燒結(jié)滑板材料(dm) 、硬質(zhì)系燒結(jié)滑板材料（ cr-icr-2 ）。日本早期受電弓滑板材料的基本性能見表15 。1964年日本東海道新干線正式開通了世界上第一條高速鐵路，列車運(yùn)行速度達(dá)到了210km/h，最高試驗(yàn)速度達(dá)到 256 km/h

11、 。新干線的開通使日本列車的平均速度由64 km/h 提高到210 km/h ，使電力機(jī)車同時(shí)也使受電弓滑板材料的研究與應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期。2.4 我國受電弓滑板材料的發(fā)展我國的電力機(jī)車受電弓滑板材料的發(fā)展主要經(jīng)歷了由銅、純碳、金屬系燒結(jié)材料到浸金屬碳滑板 4個(gè)過程。 1961 年我國第一條電氣化鐵道開通，列車最高運(yùn)行速度小于70 km/h 。電力機(jī)車采用法國進(jìn)口的6y2型電力機(jī)車，滑板為鋼板條，接觸線為銅質(zhì)導(dǎo)線。由于鋼滑板和銅導(dǎo)線的親和力較強(qiáng)，使接觸線磨耗十分嚴(yán)重， 運(yùn)行不到 5年， 使用的 tcg-loo銅接觸線的高度由 11.8 mm磨耗為 9.4 mm7。鐵道科學(xué)研究院等單位為解決接

12、觸線磨耗嚴(yán)重的問題，研制了純破滑板材料， 在寶鳳段實(shí)際運(yùn)行后， 使該段接觸線壽命延長(zhǎng)了20年， 取得了良好的效益。但純碳滑板材料的機(jī)械強(qiáng)度較低、沖擊韌性較差，在100 km/h以上的運(yùn)行中遇到接觸線硬點(diǎn)容易造成滑板折斷和破裂，使用壽命低， 特別是在雨季和潮濕地區(qū)，因摩擦力增大，常出現(xiàn)弓網(wǎng)故障及產(chǎn)生電弧。1965年西安鐵路局、 鐵道科學(xué)研究院機(jī)輛所等單位共同協(xié)作，通過在金屬系（鐵、銅）粉末中添加一些潤(rùn)滑成分（如碳、鉛和二硫化鉬等），開發(fā)了沖擊韌性較好的金屬系燒結(jié)滑板材料。該滑板材料在使用中可形成潤(rùn)滑膜且摩擦系數(shù)較低，較好地代替了純碳滑板材料。因此，在1980 年初，該滑板材料成為我國100 km

13、/h 干線的定型產(chǎn)品， 在15個(gè)機(jī)務(wù)段得到了應(yīng)用。但該金屬系燒結(jié)滑板材料的抗拉弧能力較差，在離線或觸線的瞬間，經(jīng)常出現(xiàn)燒熔、與接觸線粘連等現(xiàn)象，受流質(zhì)量也不理想。1988 年在大秦線運(yùn)行 1年， 銅接觸 46線的平均磨耗達(dá)到11.4 nrm2/萬架次，受電弓滑板材料的磨耗最高達(dá)到28 nrm2/ 萬架次。 此后， 鐵道科學(xué)研究院金化所等單位相繼研制并推出了機(jī)械復(fù)合式銅基燒結(jié)滑板材料，其性能較已有金屬系燒結(jié)滑板材料的性能有所改進(jìn)，既提高了自身壽命， 又降低了接融線的磨耗，受流質(zhì)量也有所提高，在100 km/h 干線上是一種較為理想的滑板材料。當(dāng)電力機(jī)車的速度提高到 160 km/h 時(shí)，會(huì)導(dǎo)致離

14、線率增加，拉弧頻繁，已有金屬系燒結(jié)滑板的組織疏 松、耐拉弧性差，高速運(yùn)行時(shí)不能滿足要求。因此 20世紀(jì) 90年代，我國又開始采用組織致密的浸金屬碳滑板材料， 它是將碳基體中存在的大量氣孔填滿金屬，形成實(shí)用的凝體， 集中碳材料和金屬材料的優(yōu)點(diǎn)。 1990年11月，由鐵科院及哈爾濱電碳廠聯(lián)合研制的浸金屬碳滑板達(dá)到了浸金屬碳滑板的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，他們生產(chǎn)的c203滑板的部分性能已經(jīng)接近世界先進(jìn)水平。1992年，四川某單位又研制了 c26p型浸金屬碳滑板， 各項(xiàng)性能均達(dá)到或接近英國的my7d滑板的性能。3、 受電弓特性與受流的關(guān)系要保持良好的受流特性， 除了接觸網(wǎng)的參數(shù)外， 還必須有性能良好的受電弓來配

15、合，受電弓是一個(gè)彈性結(jié)構(gòu)裝置，它由升弓彈簧保持與接觸導(dǎo)線的接觸壓力，當(dāng)接觸網(wǎng)的懸掛結(jié)構(gòu) 高度有大的改變時(shí)， 由受電弓框架調(diào)整高度來適應(yīng)，比如吊弦分布形成的高低不平，則由弓頭下面的彈簧來適應(yīng)。 而受電弓各個(gè)桿件都有一定的質(zhì)量，隨高度變化產(chǎn)生的慣性力也在改 變，在計(jì)算受電弓的結(jié)構(gòu)時(shí)，是采用歸算到受電弓與接觸導(dǎo)線相接觸的那點(diǎn)，稱為歸算質(zhì)量。為保持受電弓動(dòng)作靈活，反應(yīng)迅速，要求它的質(zhì)量要小，材質(zhì)強(qiáng)度要高。良好的受流狀態(tài)，要求受電弓在受流過程中火花和離線要少，導(dǎo)線和滑板的磨損要小，具有小的接觸電阻；同時(shí)要限制受電弓的最大抬升力引起的接觸導(dǎo)線連續(xù)抬升而導(dǎo)致的導(dǎo)線和滑板的磨損增加。因此要求受電弓在整個(gè)工作范

16、圍內(nèi)，保持一定的靜壓力。在列車運(yùn)行中， 受電弓的抬升力除了靜壓力外，還有運(yùn)行中風(fēng)作用產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)成分，受電弓和接觸網(wǎng)相互作用的動(dòng)態(tài)力學(xué)成分隨速度增大而增大。4、 國外受電弓性能比較4.1 法國 tgv型受電弓基于受電弓特性與受流的關(guān)系，法國tgv采用了輕型兩級(jí)式（雙層）的a型（單臂）受電弓，整體質(zhì)量約 300kg，上部的動(dòng)質(zhì)量約13kg , 靜抬升力為 70n，動(dòng)抬升力為 180n。交流區(qū)段用一臺(tái)受電弓， 最大電流 0.6ka, 直流區(qū)段用雙弓， 最大電流 1ka, 在巴黎里昂線使用的是鋼滑板； 大西洋線仍采用單級(jí)受電弓，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)兩級(jí)式受電弓的揚(yáng)力特性不好，當(dāng)抬升力過大時(shí)，線路的磨損就增加

17、了。4.2 德國受電弓德國 ice高速列車用 dsa-350型受電弓， 整體質(zhì)量 140kg，接觸壓力為 50130n，驅(qū)動(dòng)方式是氣動(dòng)升弓，有阻尼的降弓。滑板用鐵制的弓頭上焊著炭滑板，形成一個(gè)整體，更換時(shí)一體更換，壽命很長(zhǎng)，更換周期通?？蛇_(dá) 150000km, 在條件惡劣情況下也可達(dá) 65000km不涂石蠟或黃油。 最大允許電流 0.8ka, 瞬時(shí)為 1.3a, 最高運(yùn)行速度 280km/h 。sbs65型受電弓重量輕， 體積小，維護(hù)費(fèi)用小，具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)外形。4.3 日本的 ps系列受電弓日本國鐵機(jī)車運(yùn)行速度提高得很快。日本對(duì)受電弓的改進(jìn)主要是抓住了衡量受電弓好壞的主要指標(biāo)之一離線率。

18、受電弓的改進(jìn)始終都是為了降低離線率。使離線率減小的重點(diǎn)是減小受電弓頂部的歸算質(zhì)量。為提高受流性能， 減小離線， 就要提高框架的上下振動(dòng)的固有振動(dòng)頻率和受電弓弓頭的上下振動(dòng)固有頻率。對(duì)實(shí)現(xiàn)前者來說有減小歸算質(zhì)量和加大接觸壓 力兩種方法。加大接觸壓力必然會(huì)加大導(dǎo)線的磨損，這是不可取的，只有減輕歸算質(zhì)量。為了提高弓頭的上下振動(dòng)固有頻率，可以考慮減少振動(dòng)部分質(zhì)量；提高復(fù)原彈簧的彈簧系數(shù)； 使受電弓弓頭的實(shí)際可動(dòng)范圍減小。但這樣就有可能引起接觸導(dǎo)線上由于硬點(diǎn)而引起的受電弓對(duì)它的沖擊?？紤]上述實(shí)際情況，可采取在這受電弓上放置小型受電弓的二段式受電弓， 減小歸算質(zhì)量，同時(shí)將接觸導(dǎo)線張力加大。5、 弓網(wǎng)受流原

19、理發(fā)展高速鐵路是解決我國鐵路運(yùn)能不足最有效的手段，對(duì)我國的國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有至關(guān)重要的作用， 而電力牽引以其運(yùn)量大、 速度快、 能耗低、 污染小、 運(yùn)價(jià)廉和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)， 成為未來牽引動(dòng)力的主要模式。動(dòng)車通過受電弓弓頭的滑板與接觸導(dǎo)線接觸，相對(duì)滑動(dòng)， 接觸導(dǎo)線受取電流。 研究動(dòng)車高速運(yùn)行狀態(tài)下的弓網(wǎng)關(guān)系，以保證高速運(yùn)行情況下能穩(wěn)定受流， 成為高速電氣化鐵路安全運(yùn)行的關(guān)鍵問題之一。5.1 弓網(wǎng)間的接觸壓力接觸導(dǎo)線和受電弓組成一個(gè)阻尼很小的振動(dòng)系統(tǒng)，隨著運(yùn)行速度的提高，受電弓會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)， 從而使接觸導(dǎo)線和受電弓間的接觸壓力產(chǎn)生變化。弓線間的接觸壓力可描述受電弓 與接觸導(dǎo)線之間的接觸程度與狀態(tài)，也是評(píng)價(jià)受流質(zhì)量的重要條件，其中包括最大值、 最小值、平均值。5.2 離線率及持續(xù)時(shí)間離線率是衡量高速受流的重要指標(biāo)，離線是指受電弓和