地铁车辆是城市轨道交通系统的重要组成部分,也是技术含量较高的机电设备。一般地铁车辆由多部分组成,如车体、受电弓、通风系统、制动系统、牵引系统、内装体统等等,而每一个构造又包含了千千万万个小零件。复杂,但融入了地铁研发人员的创造与智慧。

今天,我们着重来说一下关于受电弓,希望可以对其中的一个构造有较为清晰的了解。

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。

全世界多数地铁均采用直流电作供电,不使用所需设备较复杂,车身和架空电缆也需要较高的交流电作供电。

很多地铁系统为了减少隧道的建造成本,会使用第三轨供电而不采用高架电缆,以降低隧道钻掘的高度来节省建造成本。也有使用高架电缆的地铁,它们的高架电缆,一般也非常低矮,接近紧贴车顶,以减低隧道高度来节省建造成本。

使用受电弓的地铁:如上海轨道交通、广州地铁(一号线、二号线、三号线、八号线)、深圳地铁(除龙岗线外)、南京地铁、成都地铁、沈阳地铁、东京地下铁(并非全部)、京都市营地下铁。

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。

双臂受电弓

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。

单臂受电弓

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。

(1)升弓:压缩空气经电空阀均匀进入传动气缸,气缸活塞压缩气缸内的降弓弹簧,此时升弓弹簧使下臂杆转动,抬起上框架和滑板,受电弓匀速上升,在接近接触线时有一缓慢停滞,然后迅速接触接触线。

(2)降弓:传动气缸内压缩空气经受电弓缓冲阀迅速排向大气,在降弓弹簧作用下,克服升弓弹簧的作用力,使受电弓迅速下降,脱离接触网。

流程

具体实施步骤:

主要有三种处理:1、升不起弓的处理;2、受电弓绝缘子闪络的处理;3、机械部件损坏的处理。

2012年9月5日下午,深圳地铁龙华线发生因供电故障导致停运6个多小时的事故。

事故原因是:9月5日下午13时37分,列车上行福田口岸方向至少年宫区间时,受电弓故障,将接触网承力索打断,接触网分段绝缘器断裂,受影响范围大约为150米,造成上梅林站-会展中心站上行区段整个接触网断电。

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。

这里以SS6型机车上采用的TSG3-630/25型单臂受电弓为例加以介绍。

TSG3-630/25型单臂受电弓外形

TSG3-630/25型单臂受电弓由底架部分、铰链机构、弓头部分、传动机构和控制机构等组成,其基本结构如下图

TSG3-630/25型单臂受电弓结构简图

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。

1.底架部分

底架部分是整个受电弓的基座部分。

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

铰链机构是用来实现弓头升降运动的机构。

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。

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,如上面的结构简图重(c)所示。

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

控制机构实现对受电弓的升、降弓运动的控制。

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。

缓冲阀结构示意图

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。

下图的(a)、(b)、(c)图分别表示了受电弓升弓、快速降弓、缓慢降弓的动作原理示意图。

缓冲阀动作原理示意图

(a)升弓过程;(b)快速降弓过程;(c)缓慢降弓过程。

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,如图缓冲阀结构示意图,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。

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