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受电弓原理 深圳弹簧厂



一、概述
电气化铁路的牵引动力是电力机车,机车本身不带能源,所需能源由电力牵引供电系统提供。牵引供电系统主要是指牵引变电所和接触网两大部分。变电所设在铁道附近,它将从发电厂经高压输电线送来的电流,送到铁路上空的接触网上。接触网是向电力机车直接输送电能的设备,是电气化铁路的动脉。我国电气化铁路的牵引供电制式从一开始就采用单相工频(50赫)25KV交流制。
 
电力机车利用车顶的受电弓从接触网获得电能,牵引列车运行。因此,受电弓是电力机车从接触网接触导线上受取电流的一种受流装置。它通过绝缘子安装在电力机车的车顶上,是一种铰接式的机械构件。当受电弓升起时,其滑板与接触网导线直接接触,从接触网导线上受取电流,并将其通过车顶母线传送至机车内部,供机车使用。
 
受电弓靠滑动接触而受流,是电力机车与固定供电装置之间的连接环节,其性能的优劣直接影响到电力机车工作的可靠性。随着电力机车运行速度的不断提高,对其受流性能也提出了越来越高的要求。
 
其基本要求是:滑板与接触导线接触可靠;磨耗小;升、降弓时不产生过分冲击;运行中受电弓动作轻巧、平稳、动态稳定性好。
 
为此,在接触导线高度允许变化的范围内,要求受电弓滑板对接触导线有一定的接触压力,且升、降弓过程具有先快后慢的特点,即升弓时滑板离开底架要快,贴近接触导线要慢,以防弹跳(弹跳会产生弓网间的拉弧造成弓网的烧损);降弓时滑板脱离接触导线要快(以防拉弧造成烧损),落在底架上要慢(防止对底架有过分的机械冲击)。
 
电力机车上安装有两台受电弓,正常运行时一般只升后弓,前弓备用。按结构形式分,受电弓分为双臂受电弓和单臂受电弓两种。双臂受电弓结构对称,侧向稳定性好,但结构复杂,调整困难。单臂受电弓结构简单,尺寸小,重量轻,调整容易,具有良好的动特性,高速时动态跟随性及受流特性较好,故而被现代电力机车广泛采用。
 
目前,电力机车上采用有各种型号的受电弓,如SS1型、SS3B型机车采用的TSG1-600/25型受电弓,SS4改型机车采用的TSG1-630/25型和LV260-2型受电弓,SS6型机车上采用的TSG3-630/25型单臂受电弓,SS9型机车上采用的DSA-200型受电弓等。各型受电弓的某些零部件虽略有不同,但其基本结构有许多相似之处。本节以SS8型和SS9型电力机车上采用的受电弓为例加以介绍。
 
二、TSG3-630/25型单臂受电弓
(一)主要技术参数
额定工作电压………………………………………………………………………25kV
额定工作电流………………………………………………………………………630A
最大运行速度…………………………………………………………………170km/h
静态接触压力 ………………………………………………………………(90±10)N
工作高度…………………………………………………………………500~2 250mm
最大升弓高度 …………………………………………………………………2 600mm
折叠高度 …………………………………………………………………………228mm
弓头总长度 ……………………………………………………………………2 085mm
滑板长度 ………………………………………………………………………1 250mm
传动气缸工作气压 ……………………………………………………520~1 000kPa
从0~1 800 mm间升弓时间 ……………………………………………………6~8s
从1 800~0mm间降弓时间………………………………………………………5~7s
降弓位保持力 ………………………………………………………………………80N
(二)基本结构及主要部件作用
TSG3-630/25型单臂受电弓应用于韶山8型电力机车,由底架部分、铰链机构、弓头部分、传动机构和控制机构等组成。
 
1.底架部分
底架由纵梁2和横梁12组成,用型材组焊成“T”字形。作为受电弓的基础,通过三个绝缘子固定在机车顶盖上,因此整个受电弓具有耐受一定电压的电气性能。为了使受电弓不发生变形而影响其性能,要求刚性底架有一定的机械强度。
 
纵梁2上组焊有推杆支座3,此外,底架上还装有两组升弓弹簧8,一套铰链机构和一副阻尼器14等部件。升弓弹簧由外圈和内圈两组弹簧套装而成,其一端与纵梁相连,另一端与下臂杆的底部相连。阻尼器用于有效地吸收机车高速运行时产生的冲击和振动,保证滑板与接触导线良好的接触,其一端与下臂杆铰链,另一端与推杆支座铰链。
 
2.铰链机构
它包括下臂杆5、上部框架15、推杆16、平衡杆18、中间铰链座17等。这些部件由无缝钢管组焊而成,通过铰链座铰链,各铰链处都装有滚动轴承,并采用金属软编织线进行短接,防止电流对轴承的电蚀。
 
上部框架15其一端与弓头弹簧盒10的上铰链用螺栓连接,另一端借助于压板用螺栓装在中间铰链座17上。上部框架上还装有平衡杆18,其功能是保证弓头滑板面在受电弓整个工作高度范围内,始终保持水平状态。下臂杆5用无缝钢管组焊成“T”字形构件,在转轴13一端有两组升弓弹簧8,与升弓弹簧连接的挂绳7紧贴着弧形调整板6,这样受电弓在工作高度范围内,尽管升弓弹簧拉力有变化,但所产生的升弓转矩,足以维持弓头的接触压力基本不变。阻尼器14一端与下臂杆5铰链,另一端与推杆支座3铰链,当机车高速运行时,弓头滑板与接触导线跟随性更好。调节螺栓4的伸出量,便可改变弧形调整板6上的倾角,也就改变了压力特性的摆动趋向。
 
TSG3-630/25型单臂受电弓结构:1-绝缘子;2-纵梁;3-推杆支座;4-调整螺栓;5-下臂杆;6-弧形调整板;7-挂绳;8-升弓弹簧;9-弓头;10-弹簧盒;11-升弓弹簧调整杆;12-横梁;13-转轴;14-阻尼器;15-上部框架;16-推杆;17-中间铰链座;18-平衡杆;19-转臂;20-U形连杆;21-连杆绝缘子;22-传动气缸;23-缓冲阀。
 
3.弓头部分
弓头部分由滑板框架、羊角、滑板、弹簧盒、固体润滑剂等组成。
滑板框架用钢板压制后镀锌而成,羊角为铸铝件。羊角与滑板框架组装,连接成整个弓头外形。在滑板框架上装有两排粉末冶金滑板和两排固体润滑剂。
 
滑板是直接与接触导线接触受流的部件,它是受电弓故障率较高的部件之一,最常见的故障是磨耗到限和拉槽。目前采用的滑板有碳滑板、钢滑板、铝包碳滑板、粉末冶金滑板等。其中,碳滑板较软,滑板自身磨耗较大,需经常更换,适用于铜接触导线;钢滑板较硬,对接触网磨耗较大,适用于钢铝接触导线;粉末冶金滑板的主要成分是铁、铜和润滑油,它有较好的自润滑性和一定的机械强度,电阻率也较小,与接触网导线接触受流性能良好,既能同时适用于铜接触导线和钢铝接触导线,又有助于减少因滑板损坏而造成的刮弓事故,是目前较为理想的滑板材料。SS8型电力机车上采用的TSG3-630/25型单臂受电弓使用的就是粉末冶金滑板,其初始厚度为10mm,磨损至3mm后必须更换。弹簧盒使弓头与铰链机构进行弹性连接,保证机车运行时,弓头能随着接触网导线高度和驰度的变化而作前后点头、上下动作,以便改善受流质量。
 
4.传动机构
 
传动机构是用来传递力矩,实现对受电弓的升、降运动的控制,它与受电弓为电绝缘。传动机构由传动气缸22、连杆绝缘子21、U形连杆20、转臂19等组成。连杆绝缘子连接在传动气缸与U形连杆之间,U形连杆与转臂连接,转臂再与下臂杆转轴连接在一起。传动气缸是受电弓的动力装置,进气时升弓,排气时降弓,其缸体与水平面成15°仰角,安装在机车顶盖上。
 
5.控制机构
TSG3-630/25型受电弓的控制机构由缓冲阀和升弓电空阀组成,安装在机车内部,以便在机车内部调整升、降弓时间。
1-缓冲阀排气口;2-快排阀快排口;3-快排阀活塞;4-气室;5-快排阀反力弹簧;6-快排阀调节螺钉;7-节流阀调节螺钉;8、9-暗道;10-进气口;11-电空阀。
 
缓冲阀实际上是一个流量控制阀,它借助改变通流管路的截面大小来调节气流量,满足受电弓升、降弓过程先快后慢的动作要求,减小对接触网和车顶的冲击和振动,避免降弓时的拉弧现象。它由快排阀和节流阀两部分组成,主要包括气室4、快排阀活塞3、快排阀反力弹簧5、快排阀调节螺钉6、节流阀调节螺钉7、暗道8和9等部件。缓冲阀的进气口10与升弓电空阀下方的进气口相连,压缩空气经缓冲阀阀体内的小孔,通过不同截面的暗道,分别送入节流阀和快排阀。缓冲阀的排气口1与受电弓传动气缸的进风口相连。
升弓过程是压缩空气压缩降弓弹簧的过程,节流阀口的大小,直接控制着压缩空气进入传动气缸的快慢。当节流阀口调好后,升弓初始,降弓弹簧的压力最小,克服该力所需要的气压较小,节流阀口的进出气压差最大,此时传动气缸中活塞的移动较快,升弓迅速;随着弓头的逐渐上升,降弓弹簧的压力逐渐增大,克服该力所需要的气压也逐渐增大,因此,节流阀口的气压差逐渐减小,进入气缸的气流逐渐减慢,升弓的速度也逐渐减慢。这就实现了受电弓升弓时先快后慢的动作要求,减小了对接触网的冲击和振动。
 
降弓时,电空阀失电,传动气缸内的压缩空气经节流阀、电空阀排向大气。降弓初始,传动气缸内气压较大,作用于快排阀上方的力大于快排阀下方弹簧所产生的力,快排阀阀口打开,传动气缸内的压缩空气通过快排阀阀口大量排向大气,使受电弓弓头迅速脱离接触网。随着传动气缸内气压的逐渐下降,在快排阀内弹簧作用下,快排阀阀口关闭,气缸内的残余气体从节流阀口徐徐排出,受电弓下降的速度减慢。这就保证了弓头迅速脱离接触网避免了拉弧现象,后变成缓慢下降,不会对受电弓底架和车顶产生有害冲击。
 
缓冲阀的阀体上有两个成锥形的调节螺钉,上面的是降弓时间调节螺钉,下面的是升弓时间调节螺钉。顺时针旋转升弓时间调节螺钉时,节流阀阀口进风量减小,升弓时间延长;反之,则升弓时间缩短。同理,可以调整降弓时间。
 
(三)动作原理
 
升弓时,司机按下受电弓按键开关,升弓电空阀得电,气路打开,压缩空气经缓冲阀的节流阀进入传动气缸,推动活塞克服降弓弹簧的作用力,带动连杆绝缘子和U形连杆右(外)移,解除了对下臂杆的约束力,升弓弹簧拉动下臂杆和推杆顺时针转动,推杆推动铰链座和上部框架逆时针旋转,带动受电弓弓头升起。
 
降弓时,司机恢复受电弓按键开关,受电弓电空阀失电,供风口通大气,传动气缸内的压缩空气经快排阀、电空阀排向大气,在降弓弹簧的作用下,活塞带动U形连杆左(内)移,当U形连杆与下臂杆转轴接触后,迫使转轴向下移动,强制下臂杆做逆时针转动,最终使弓头下降到落弓位。
 
三、DSA-200型受电弓
 
SS9型电力机车上安装有两架DSA-200型受电弓,它是一种采用气囊驱动升弓的单臂式受电弓,主要应用于干线电力机车,该受电弓装有阻尼器和ADD自动降弓装置。
 
(一)主要技术参数
主要技术参数
额定工作电压…………………………………………………………………………25 kV
额定工作电流………………………………………………………………………1 000 A
设计速度…………………………………………………………………………200 km/h
静态接触压力 …………………………………………………………70 N±10 N,可调
最低工作高度(包括绝缘子)………………………………………………………888 mm
最高工作高度(包括绝缘子)……………………………………………………2 800 mm
最大升弓高度(包括绝缘子)……………………………………………………3 000 mm
折叠高度(包括绝缘子)……………………………………………………………588 mm
集电头总长度……………………………………………………………………1 950 mm
集电头宽度 ………………………………………………………………………580 mm
滑板总长度………………………………………………………………………1 576 mm
碳滑板……………………………………………………………………………1 250 mm
输入空气压力 ………………………………………………………………0.4~1 MPa
接触压力为70 N时空气压力 ……………………………………约0.36~0.38 MPa
 
(二)结构及作用
DSA200型受电弓:1-底架;2-下臂杆;3-导杆;4-上部框架;5-集电头;6-集电头导向装置;7-驱动装置;8-气路组装;9-阻尼器;10-编织线。
 
1.底架部分
刚性底架由型材(钢材)组焊而成,它是整个受电弓的基座部分,并通过绝缘子固定在机车车顶上。底架上装有升弓气囊、一套铰链机构和一副受电弓的阻尼器等。升弓气囊和阻尼器一端安装在底架上,另一端均安装在铰链机构中的下臂杆上。
 
2.铰链机构
铰链机构是实现集电头升降运动的机构,包括有上框架、下臂杆、拉杆和平衡杆等,它们通过各种铰链座铰接。上框架是由压型铝合金型材和板材焊接而成,下臂杆是由管材组焊而成,拉杆和平衡杆为不锈钢材料。各铰接处都装有滚动轴承并采用金属软编织线进行短接,以防止电流对轴承的烧损,平衡杆的作用是保证集电头滑板面在受电弓整个工作高度范围内,始终保持基本水平状态。
 
3.集电头部分
集电头部分包括集电头支撑和集电头。集电头是直接与接触导线接触受流的部分,其上装有碳滑板。集电头支撑垂悬在4个拉簧下方,两个扭簧安装在集电头和上臂间,克服横向偏移,这种结构使滑板在机车运行方向上移动灵活,而且能够吸收横向方向上的冲击,达到保护滑板的目的。动态接触压力(随速度的变化增加或减少)可以通过安装集电头翼片来对不同速度等级的机车进行调节(如用户需要)。滑板中有气腔,通有压缩空气,如果滑板出现磨损到极限或断裂时,受电弓会迅速自动降下,更换滑板后,自动降弓装置重新启动。
 
4.升弓装置和气路组装
升弓装置传递、实现对受电弓升降运动的控制,升弓装置包括气囊组装、矩形管、支架组焊、螺杆、四联体等组成。升弓装置一头安装在底架上,另一端通过钢丝绳与螺栓固定在下臂杆的调整板上。气路组装是由阀板和提供压缩气体的管路组成,阀板安装于机车内,通过调节节流阀开口的大小来控制升降弓时间,管路一端和升弓装置的气囊连接,另一端与绝缘软管连接,由机车供风断风,从而实现升降弓控制。
 
(三)动作原理
 
带自动降弓装置的气囊驱动式受电弓的气路原理,包括空气过滤器11、单向调速阀(升弓)12、调压阀13、气压表14、单向调速阀(降弓)15、稳压阀16、气囊17、气控快排阀18、截止阀19、试验阀20、带有气腔的碳滑板21及管路。
 
DSA-200型受电弓由空气回路进行控制。升弓时电磁阀得电,气路打开,压缩空气通过空气过滤器11、单向调速阀(升弓)12、调压阀13、气压表14、单向调速阀(降弓)15、稳压阀16,进入气囊17,同时压缩空气通过管路经气控快排阀18向具有气腔的受电弓碳滑板21供气,从而由压缩空气管路及气囊中的压缩空气驱动实现升弓。当受电弓正常降弓时,启动装置在压缩空气输入端前端的电控排气阀进行排气,受电弓靠自重落弓。
 
当受电弓滑板破裂、磨损到极限或管路发生泄漏时,则换向阀打开,气囊17及管路中的压缩空气经过换向阀的排气口排放到大气中。同时,带有触点开关的空气压力继电器将动作,通过电器信号通知机车在管路系统中出现压力下降,在受电弓与接触网脱离之前,主断路器可以先切断。从而保证受电弓不会在带电负载的情况下从接触网线脱开。
 
DSA200受电弓升弓装置和气路装置原理11-空气过滤器;12-单向调速阀(升弓);13-调压阀;14-气压表;15-单向调速阀(降弓);16-稳压阀;17-气囊;18-气控快排阀;19-截止阀;20-试验阀;21-碳滑板(2件)。
 
四、静特性
在静止状态下,受电弓滑板在工作高度范围内对接触网导线的压力称为受电弓的静态接触压力。该值的大小直接影响受电弓受流的质量。静态接触压力偏小,则接触电阻增大,功率损耗增加,机车运行时易产生离线和电弧,从而导致接触导线和滑板的电磨损增加;压力偏大,则机械磨损增加,甚至造成滑板局部拉槽,进而造成接触导线弹跳拉弧,以致刮弓。因此,要求受电弓在其工作高度范围内有一个较为合适的、基本不变的接触压力,这个接触压力由受电弓机械结构和各部分参数决定。适当的静态接触压力可以使受电弓与接触网导线正常接触,减少离线,克服风和高速气流及轮轨传来的机械振动的影响,保证良好的受流特性。
 
受电弓的静态接触压力与工作高度之间的关系称为受电弓的静特性,它可以用受电弓的静态特性曲线来表示出以下三点:
1.在工作高度范围内,受电弓的静态接触压力变化不大。这是因为产生接触压力的升弓弹簧在升弓高度变化时变形不大和弧形调整板的作用所致。
2.受电弓上升过程与下降过程的静态特性曲线不重合。其原因是受电弓活动关节存在着摩擦力。由于该摩擦力始终与运动方向相反,因此,在升、降弓过程的静态特性曲线之间的接触压力差约为两倍的摩擦力。当接触网导线向下倾斜而要求弓头滑板跟随下降时,该摩擦力使接触压力增加;同理,当接触网导线向上倾斜而要求弓头滑板跟随上升时,该摩擦力使接触压力减小。所以,为了减小摩擦力,在受电弓的各铰接部分均装有滚动轴承。
3.调整弧形调整板的倾角,可以改变受电弓静态接触压力的大小。倾角减小,静态特性曲线的下端左移,反之则右移。
 
受电弓的静态特性曲线
1-正常压力的静态特性曲线;2-弧形调整板倾角小时的静态特性曲线;3-弧形调整板倾角大时的静态特性曲线。a-受电弓上升的静态特性曲线;b-受电弓下降时的静态特性曲线。
 
五、维护与调整
 
(一)维护
使用前,应检查所有的紧固件状态是否良好;软编织导线是否完整,有断股严重的应及时更换;绝缘子不允许有裂痕,并应保持其干净清洁;弓头滑板应保持平整,连接平滑,对已磨耗到限的滑板和润滑剂应及时更换。
(二)调整
调试必须由两个人来进行(一人在司机室,一人在车顶部)。在进行调试工作之前,受电弓应进行两、三次升弓和降弓操作。使用专用的受电弓试验台或测量范围在0~100N的弹簧秤进行测试。
1.静态接触压力的调整。一般调整时,在受电弓弓头上加挂一90N的重物,正常情况下,弓头在任意工作高度上应能停留。若弓头在工作高度的上限段不能停留,则应调整升弓弹簧调节螺钉,即改变升弓弹簧的变形量,加大或减小升弓力;然后检查弓头在工作高度的下限段,若弓头在工作高度的下限段不能停留,则调整螺栓4,改变弧形调整板的倾角,也就是通过改变升弓弹簧组的工作高度之间的变形量来使其满足要求。
这只是粗略进行调整,精细地对静态接触压力的调整必须采用专用的实验台进行。
2.升、降弓时间的调整
升、降弓时间是指在额定工作气压下,以落弓位滑板的顶部为参考点,受电弓由0 mm升到1800mm或由1800mm降到0mm所需要的时间。
一般先调升弓时间,调整节流阀调节螺钉,通过改变节流阀口大小就可初步调整升弓时间。然后再调整快排阀调节螺钉,通过调节快排阀弹簧的压缩量,改变快排的时间长短,从而调整降弓时间。这种调试过程要反复进行多次,相互兼顾,以便满足受电弓的升、降弓时间和先快后慢的动作要求。
3.弓头的调整
受电弓弓头的调整包括弓头平衡的调整和弹簧盒的调整。检查弓头在工作范围内任一高度的前后摆动量,若不为水平对称,则应调整平衡杆,通过改变平衡杆的长度,保持弓头滑板面的水平。弓头弹簧盒内装有弹簧盒杆和弓头弹簧。弹簧盒杆应上下活动自如,无阻滞现象,否则应对弓头进行详细的检查,找出影响盒杆运动的原因。因为弓头受到来自于接触网上硬点的冲击,常伴随有弓头的变形,所以此项调整较为复杂。若为盒杆内弹簧的原因,则应更换弹簧。
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