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城市轨道交通车辆受电弓受流稳定性研究马占文

发表时间：2020/5/15 来源：《基层建设》2020年第3期作者：马占文

[导读] 摘要：受电弓作为一种从接触网取得电能的受流装置，在城轨车辆中得到了广泛的应用。基于此，本文对城市轨道交通车辆受电弓受流稳定性影响因素及其措施进行了分析。

        乌鲁木齐市城市轨道集团有限公司运营分公司新疆乌鲁木齐 830000
        摘要：受电弓作为一种从接触网取得电能的受流装置，在城轨车辆中得到了广泛的应用。基于此，本文对城市轨道交通车辆受电弓受流稳定性影响因素及其措施进行了分析。
        关键词：城市轨道交通；受电弓；受流稳定性
        受电弓因其电流容量大、坚固、绝缘性能好、动态性强等特点，被广泛应用于电力机车、电动车辆和有轨电车中。城市轨道交通车辆依靠受电弓获取电能，为车辆的启动、制动、运行、照明和空调等提供电力。受电弓的弓头滑板与接触网的接触线相接触，相对滑动，电流从接触网引出并输送给轨道车辆，这个过程称为受流。而受电弓与接触网能可靠接触是保证稳定受流的重要条件。
        一、城市轨道车辆受流系统
        1、接触网类型
        1)柔性接触网。柔性悬挂已在我国电气化铁路上应用了上万公里，较为成熟可靠。在上海地铁、广州地铁、深圳地铁、大连快轨、长春轻轨等线路中也已成功应用。关于架空接触网的设备和零件，目前国内采用了通用性产品或改进性产品，并积累了丰富的制造经验和施工经验。
        柔性接触网的装配形式多种多样，根据安装地点的不同可分为隧道内、高架线路、地面线路及车辆段等形式。接触网按悬挂类分为：简单悬挂、简单链形悬挂和复链型悬挂等。不同的类型其电线粗细、条数、张力不一样。架空线的悬挂方式，要根据架线区的列车速度、电流容量等输送条件及架设环境进行综合勘察来决定要采取的方式。
        2)刚性接触网。刚性悬挂又称刚性接触网，是一种区别于传统柔性接触网的供电方式。由于地铁隧道供电导线上方空间有限，链形悬挂一般采用冷拉电解铜接触线。刚性悬挂一般适用于地下段，而不应用于地面及高架桥。地面及高架桥若要采用刚性架空接触网必须安装专用支架来悬挂支撑，投资较大。其形状主要有“T”和“π”型两种。“T”型接触网1961年在日本投入运营，“π”型接触网1983年在法国投入运营。二者相比“T”型汇流排自重较大，跨距较“π”型小，因而在造价上“T”型高于“π”型。
        刚性架空接触网是将接触线夹在汇流排中，汇流排取代了承力索，并靠它自身的刚性保持接触线的固定位置，使接触线不因重力而产生驰度。此外，我国目前在建的采用直流1500V供电制式的接触线路，隧道内采用刚性架空接触网的线路有广州、南京、上海、西安等城市轨道交通。
        3)三轨接触网。三轨接触网是沿轨道线路敷设的附加接触轨，从电动客车转向架伸出的受流器，通过滑靴与第三轨接触而取得电能。系统由正极供电网、负极回流网两部分组成。供电网由接触轨、弯头、连接板、膨胀接头、绝缘子、绝缘防护罩、锚结、隔离开关、电缆等组成；回流网由回流轨、有关电气设备及电缆组成。此外，接触轨可有上部授流、下部授流和侧部授流三种形式。在国内北京、天津采用上部授流接触轨形式，武汉采用下部授流接触轨形式，而侧部授流形式在国内应用很少。
        2、受电弓类型。受电弓系统作为城轨车辆的重要系统，是城轨车辆的受流装置，从高压接触网上获得电流，为车辆牵引逆变器和高压设备提供动力来源。受电弓主要有四种结构类型：双臂式、单臂式、垂直式、石津式。1)双臂式：双臂式受电弓其结构比较传统，呈菱形状。但其保养成本较高，发生故障时易损坏接触网，现在已基本不再使用。2)单臂式：单臂式受电弓为“之”字形结构，其噪音低，发生故障时不易损坏接触网，现应用较为广泛。3)垂直式：垂直式受电弓为“T”字形结构，其风阻较低，主要应用于高速铁路车辆。4)石津式：石津式受电弓是1951年由日本冈山电气轨道的第六代社长石津龙辅发明。

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        二、受电弓工作原理
        地铁车辆受电弓主要通过从额定电压接触网获取能源，为整个地铁车辆的运行提供能源；同时，还可通过再生系统将动能转化为电能，以供其他通过的地铁车辆运行。地铁车辆受电弓包括底架、拉杆、上臂杆、下臂杆、平衡杆等结构构成。其中，底架主要由无缝矩形钢管焊接而成，主要起到支撑的目的；而拉杆主要由无缝的碳钢材料焊接形成，位于底架和上臂杆之间；上臂杆主要由强度高、质量轻的铝合材料焊接而成；而下臂杆主要由无缝钢管焊接形成，同时通过转动轴承技术，增加受电弓的灵活性；平衡杆主要由铝合金材质加工而来，能消除外力对弓头的干扰；此外，受电弓结构还包括弓头、减震器等。其中，共同安装于上支架的轴上，主要用于减少碳花瓣间的磨损；减震器主要安装于上下支架间，用于减弱机械震荡的目的。
        三、受电弓动态受流稳定性影响因素
        1、受电弓参数影响。本文主要结合以往研究数据，提出相应的受电弓力学模型和受电弓与接触网的耦合动力学模型，分析了影响受电弓动态受流稳定性的因素。具体表现为:1)从受电弓、接触网技术参数看。以城市地铁为例，受电弓参数包括额定电压、额定电流、弓头长度、滑行长度、网压变化范围、最大运行速度、升功高度、降弓时间等为主。而在接触网技术参数上，以接触网离轨面高、接触网跨距、电压变化范围、接触网张力及吊弦长度等为主。2)从受电弓框架质量、弓头质量影响看。以弓头质量为例，若取30km/h为列车速度，弓头质量保持为2～20kg，分析其影响情况，在弓头质量为10kg以内时，弓头质量增加解除压力最小值与最大值等都有一定变化，如8～10kg弓头质量，接触压力最小值将有增大表现。这种变化的原因归结于质量增加下，将增大惯性力，接触线运动中，受电弓跟随性降低，产生较为明显的弓网间接触力振荡情况。而在框架质量方面，取25kg质量为例，若在该质量范围内，接触压力不均匀系数无明显变化，可获取较好的受流质量，而在增加情况下，不均匀系数保持降低趋势。这就意味框架质量的减少，有助于受流质量的提高。3)框架刚度、弓头刚度影响。如在弓头刚度方面，其影响接触压力极为明显，一般表现为接触压力在弓头刚度增加下出现最大值增大情况。再如框架刚度，以往研究中提及，在保持500N/m刚度情况下，可降低接触压力不均匀系数，取得最佳受流质量。综合来看，受电弓、接触网技术参数及框架质量、刚度与弓头刚度、质量都是影响受流质量的关键因素。
        2、其他参数影响。尽管受电流稳定性受上述参数影响较为明显，但假若受电弓这些参数合理不变，分析弓网受流情况，也可发现有其他影响因素。以列车速度为例，有研究中发现，取10～80km/h为列车运行速度，此时接触力保持平稳，无明显的解除压力不均匀系数变化情况，假若超出80km/h运行速度，则会提高接触压力不均匀系数，降低受流质量。此外，弓网接触力受接触网跨距的影响也较为明显，如选择80～120N为受电弓静抬升力为范围，30km/h列车速度，其他参数不变，可发现在跨距长度变化下，弓网接触力将受到一定影响。
        四、提高城市轨道交通车辆受电弓受流稳定性措施
        针对受电弓受流稳定性影响因素，可采取的优化措施，主要以接触网跨距的优化、受电弓参数的优化等方式为主。如在接触网跨距优化方面，可结合现有的经济、技术条件，并分析受电弓结构参数、机车机构与线路质量，确定合适的跨距值。而在受电弓参数优化中，主要在保证弓头框架质量、弓头质量情况下，控制受电弓质量参数。现行城市轨道车辆受电弓受流稳定性方面，也可考虑做受电弓试验台的开发，从受电弓试验台功能看，主要以静态试验、动态试验为主，可用于受电弓受流特性、力学性能分析，如静态试验下，可测试升降弓时间、静态压力、升弓高度等。而在动态试验方面，将利用试验台对动态参数如离线时间、动态接触力测量记录，结合相关的参数结果，评价受电弓运行品质，在此基础上做受电弓相关参数的调整，以此使受电弓受流稳定性得到保障。
        参考文献：
        [1]程维.电气化铁道受电弓-接触网系统受流特性分析[D].西南交通大学硕士研究生论文，2015(07).
        [2]杨绍普.高速铁路接触网-受电弓系统受流稳定性[J].动力学与控制学报,2015(03).
        [3]张静.城市轨道车辆受电弓受流性能试验研究[D].上海:上海工程技术大学，2016(09)．