地鐵車輛構造之--受電弓

地鐵車輛是城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分，也是技術含量較高的機電設備。一般地鐵車輛由多部分組成，如車體、受電弓、通風系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、內(nèi)裝體統(tǒng)等等，而每一個構造又包含了千千萬萬個小零件。復雜，但融入了地鐵研發(fā)人員的創(chuàng)造與智慧。

今天，我們著重來說一下關于受電弓，希望可以對其中的一個構造有較為清晰的了解。

電氣化鐵路的牽引動力是電力機車，機車本身不帶能源，所需能源由電力牽引供電系統(tǒng)提供。牽引供電系統(tǒng)主要是指牽引變電所和接觸網(wǎng)兩大部分。變電所設在鐵道附近，它將從發(fā)電廠經(jīng)高壓輸電線送來的電流，送到鐵路上空的接觸網(wǎng)上。接觸網(wǎng)是向電力機車直接輸送電能的設備，是電氣化鐵路的動脈。我國電氣化鐵路的牽引供電制式從一開始就采用單相工頻(50赫)25KV交流制。

電力機車利用車頂?shù)氖茈姽瓘慕佑|網(wǎng)獲得電能，牽引列車運行。因此，受電弓是電力機車從接觸網(wǎng)接觸導線上受取電流的一種受流裝置。它通過絕緣子安裝在電力機車的車頂上，是一種鉸接式的機械構件。當受電弓升起時，其滑板與接觸網(wǎng)導線直接接觸，從接觸網(wǎng)導線上受取電流，并將其通過車頂母線傳送至機車內(nèi)部，供機車使用。

全世界多數(shù)地鐵均采用直流電作供電，不使用所需設備較復雜，車身和架空電纜也需要較高的交流電作供電。

很多地鐵系統(tǒng)為了減少隧道的建造成本，會使用第三軌供電而不采用高架電纜，以降低隧道鉆掘的高度來節(jié)省建造成本。也有使用高架電纜的地鐵，它們的高架電纜，一般也非常低矮，接近緊貼車頂，以減低隧道高度來節(jié)省建造成本。

使用受電弓的地鐵:如上海軌道交通、廣州地鐵(一號線、二號線、三號線、八號線)、深圳地鐵(除龍崗線外)、南京地鐵、成都地鐵、沈陽地鐵、東京地下鐵(并非全部)、京都市營地下鐵。

受電弓類型

按結構形式分，受電弓分為雙臂受電弓和單臂受電弓兩種。

雙臂受電弓結構對稱，側向穩(wěn)定性好，但結構復雜，調(diào)整困難。

單臂受電弓結構簡單，尺寸小，重量輕，調(diào)整容易，具有良好的動特性，高速時動態(tài)跟隨性及受流特性較好，故而被現(xiàn)代電力機車廣泛采用。

動作原理

電力機車上安裝有兩臺受電弓，正常運行時一般只升后弓，前弓備用。

(1)升弓:壓縮空氣經(jīng)電空閥均勻進入傳動氣缸，氣缸活塞壓縮氣缸內(nèi)的降弓彈簧，此時升弓彈簧使下臂桿轉動，抬起上框架和滑板，受電弓勻速上升，在接近接觸線時有一緩慢停滯，然后迅速接觸接觸線。

(2)降弓:傳動氣缸內(nèi)壓縮空氣經(jīng)受電弓緩沖閥迅速排向大氣，在降弓彈簧作用下，克服升弓彈簧的作用力，使受電弓迅速下降，脫離接觸網(wǎng)。

怎樣檢測受電弓?

流程

具體實施步驟:

如何對受電弓故障車處理?

主要有三種處理:1、升不起弓的處理;2、受電弓絕緣子閃絡的處理;3、機械部件損壞的處理。

受電弓故障相關事件:深圳地鐵停運六小時

2012年9月5日下午，深圳地鐵龍華線發(fā)生因供電故障導致停運6個多小時的事故。

事故原因是:9月5日下午13時37分，列車上行福田口岸方向至少年宮區(qū)間時，受電弓故障，將接觸網(wǎng)承力索打斷，接觸網(wǎng)分段絕緣器斷裂，受影響范圍大約為150米，造成上梅林站-會展中心站上行區(qū)段整個接觸網(wǎng)斷電。

舉例:TSG3-630/25型單臂受電弓

目前，電力機車上采用有各種型號的受電弓，如SS1型、SS3B型機車采用的TSG1-600/25型受電弓，SS4改型機車采用的TSG1-630/25型和LV260-2型受電弓，SS6型機車上采用的TSG3-630/25型單臂受電弓，SS9型機車上采用的DSA-200型受電弓等。各型受電弓的某些零部件雖略有不同，但其基本結構有許多相似之處。

這里以SS6型機車上采用的TSG3-630/25型單臂受電弓為例加以介紹。

TSG3-630/25型單臂受電弓外形

TSG3-630/25型單臂受電弓由底架部分、鉸鏈機構、弓頭部分、傳動機構和控制機構等組成，其基本結構如下圖

TSG3-630/25型單臂受電弓結構簡圖

1-絕緣子;2-縱梁;3-推桿支座;4-調(diào)整螺栓;5-下臂桿;6-弧形調(diào)整板;

7-掛繩;8-升弓彈簧;9-弓頭;10-彈簧盒;11-升弓彈簧調(diào)整桿;12-橫梁;

13-轉軸;14-阻尼器;15-上部框架;16-推桿;17-中間鉸鏈座;18-平衡桿;

19-轉臂;20-U形連桿;21-連桿絕緣子;22-傳動氣缸;23-緩沖閥。

1.底架部分

底架部分是整個受電弓的基座部分。

底架由縱梁2和橫梁12組成，用型材組焊成“T”字形。作為受電弓的基礎，通過三個絕緣子固定在機車頂蓋上，因此整個受電弓具有耐受一定電壓的電氣性能。為了使受電弓不發(fā)生變形而影響其性能，要求剛性底架有一定的機械強度。

縱梁2上組焊有推桿支座3，此外，底架上還裝有兩組升弓彈簧8，一套鉸鏈機構和一副阻尼器14等部件。升弓彈簧由外圈和內(nèi)圈兩組彈簧套裝而成，其一端與縱梁相連，另一端與下臂桿的底部相連。阻尼器用于有效地吸收機車高速運行時產(chǎn)生的沖擊和振動，保證滑板與接觸導線良好的接觸，其一端與下臂桿鉸鏈，另一端與推桿支座鉸鏈。

2.鉸鏈機構

鉸鏈機構是用來實現(xiàn)弓頭升降運動的機構。

它包括下臂桿5、上部框架15、推桿16、平衡桿18、中間鉸鏈座17等。這些部件由無縫鋼管組焊而成，通過鉸鏈座鉸鏈，各鉸鏈處都裝有滾動軸承，并采用金屬軟編織線進行短接，防止電流對軸承的電蝕。

上部框架15其一端與弓頭彈簧盒10的上鉸鏈用螺栓連接，另一端借助于壓板用螺栓裝在中間鉸鏈座17上。

上部框架上還裝有平衡桿18，其功能是保證弓頭滑板面在受電弓整個工作高度范圍內(nèi)，始終保持水平狀態(tài)。

下臂桿5用無縫鋼管組焊成“T”字形構件，在轉軸13一端有兩組升弓彈簧8，與升弓彈簧連接的掛繩7緊貼著弧形調(diào)整板6，這樣受電弓在工作高度范圍內(nèi)，盡管升弓彈簧拉力有變化，但所產(chǎn)生的升弓轉矩，足以維持弓頭的接觸壓力基本不變。阻尼器14一端與下臂桿5鉸鏈，另一端與推桿支座3鉸鏈，當機車高速運行時，弓頭滑板與接觸導線跟隨性更好。

調(diào)節(jié)螺栓4的伸出量，便可改變弧形調(diào)整板6上的傾角，也就改變了壓力特性的擺動趨向。

3.弓頭部分

弓頭部分由滑板框架、羊角、滑板、彈簧盒、固體潤滑劑等組成，如上面的結構簡圖重(c)所示。

滑板框架用鋼板壓制后鍍鋅而成，羊角為鑄鋁件。羊角與滑板框架組裝，連接成整個弓頭外形。在滑板框架上裝有兩排粉末冶金滑板和兩排固體潤滑劑。

滑板是直接與接觸導線接觸受流的部件，它是受電弓故障率較高的部件之一，最常見的故障是磨耗到限和拉槽。

目前采用的滑板有碳滑板、鋼滑板、鋁包碳滑板、粉末冶金滑板等。其中，碳滑板較軟，滑板自身磨耗較大，需經(jīng)常更換，適用于銅接觸導線;鋼滑板較硬，對接觸網(wǎng)磨耗較大，適用于鋼鋁接觸導線;粉末冶金滑板的主要成分是鐵、銅和潤滑油，它有較好的自潤滑性和一定的機械強度，電阻率也較小，與接觸網(wǎng)導線接觸受流性能良好，既能同時適用于銅接觸導線和鋼鋁接觸導線，又有助于減少因滑板損壞而造成的刮弓事故，是目前較為理想的滑板材料。

SS8型電力機車上采用的TSG3-630/25型單臂受電弓使用的就是粉末冶金滑板，其初始厚度為10mm，磨損至3mm后必須更換。

彈簧盒使弓頭與鉸鏈機構進行彈性連接，保證機車運行時，弓頭能隨著接觸網(wǎng)導線高度和馳度的變化而作前后點頭、上下動作，以便改善受流質(zhì)量。

4.傳動機構

傳動機構是用來傳遞力矩，實現(xiàn)對受電弓的升、降運動的控制，它與受電弓為電絕緣。

傳動機構由傳動氣缸22、連桿絕緣子21、U形連桿20、轉臂19等組成。連桿絕緣子連接在傳動氣缸與U形連桿之間，U形連桿與轉臂連接，轉臂再與下臂桿轉軸連接在一起。

傳動氣缸是受電弓的動力裝置，進氣時升弓，排氣時降弓，其缸體與水平面成15°仰角，安裝在機車頂蓋上。

5.控制機構

控制機構實現(xiàn)對受電弓的升、降弓運動的控制。

TSG3-630/25型受電弓的控制機構由緩沖閥和升弓電空閥組成，安裝在機車內(nèi)部，以便在機車內(nèi)部調(diào)整升、降弓時間。

緩沖閥結構示意圖

1-緩沖閥排氣口;2-快排閥快排口;3-快排閥活塞;4-氣室;5-快排閥反力彈簧;

6-快排閥調(diào)節(jié)螺釘;7-節(jié)流閥調(diào)節(jié)螺釘;8、9-暗道;10-進氣口;11-電空閥。

緩沖閥實際上是一個流量控制閥，它借助改變通流管路的截面大小來調(diào)節(jié)氣流量，滿足受電弓升、降弓過程先快后慢的動作要求，減小對接觸網(wǎng)和車頂?shù)臎_擊和振動，避免降弓時的拉弧現(xiàn)象。

它由快排閥和節(jié)流閥兩部分組成，主要包括氣室4、快排閥活塞3、快排閥反力彈簧5、快排閥調(diào)節(jié)螺釘6、節(jié)流閥調(diào)節(jié)螺釘7、暗道8和9等部件。緩沖閥的進氣口10與升弓電空閥下方的進氣口相連，壓縮空氣經(jīng)緩沖閥閥體內(nèi)的小孔，通過不同截面的暗道，分別送入節(jié)流閥和快排閥。緩沖閥的排氣口1與受電弓傳動氣缸的進風口相連。

下圖的(a)、(b)、(c)圖分別表示了受電弓升弓、快速降弓、緩慢降弓的動作原理示意圖。

緩沖閥動作原理示意圖

(a)升弓過程;(b)快速降弓過程;(c)緩慢降弓過程。

升弓過程是壓縮空氣壓縮降弓彈簧的過程，節(jié)流閥口的大小，直接控制著壓縮空氣進入傳動氣缸的快慢。當節(jié)流閥口調(diào)好后，升弓初始，降弓彈簧的壓力最小，克服該力所需要的氣壓較小，節(jié)流閥口的進出氣壓差最大，此時傳動氣缸中活塞的移動較快，升弓迅速;隨著弓頭的逐漸上升，降弓彈簧的壓力逐漸增大，克服該力所需要的氣壓也逐漸增大，因此，節(jié)流閥口的氣壓差逐漸減小，進入氣缸的氣流逐漸減慢，升弓的速度也逐漸減慢。

這就實現(xiàn)了受電弓升弓時先快后慢的動作要求，減小了對接觸網(wǎng)的沖擊和振動。

降弓時，電空閥失電，傳動氣缸內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)節(jié)流閥、電空閥排向大氣。降弓初始，傳動氣缸內(nèi)氣壓較大，作用于快排閥上方的力大于快排閥下方彈簧所產(chǎn)生的力，快排閥閥口打開，傳動氣缸內(nèi)的壓縮空氣通過快排閥閥口大量排向大氣，使受電弓弓頭迅速脫離接觸網(wǎng)。

隨著傳動氣缸內(nèi)氣壓的逐漸下降，在快排閥內(nèi)彈簧作用下，快排閥閥口關閉，氣缸內(nèi)的殘余氣體從節(jié)流閥口徐徐排出，受電弓下降的速度減慢。

這就保證了弓頭迅速脫離接觸網(wǎng)避免了拉弧現(xiàn)象，后變成緩慢下降，不會對受電弓底架和車頂產(chǎn)生有害沖擊。

緩沖閥的閥體上有兩個成錐形的調(diào)節(jié)螺釘，如圖緩沖閥結構示意圖，上面的是降弓時間調(diào)節(jié)螺釘，下面的是升弓時間調(diào)節(jié)螺釘。順時針旋轉升弓時間調(diào)節(jié)螺釘時，節(jié)流閥閥口進風量減小，升弓時間延長;反之，則升弓時間縮短。同理，可以調(diào)整降弓時間。