动车组受电弓故障分析及改进设计

目 录第 1 章 绪 论 .11.1 研究背景 .11.2 国内外高速动车组受电弓的发展 .11.3 国内受电弓常见的故障 .2第 2 章 受电弓概述 .42.1 CRH2A 型受电弓组成结构 .42.2 CRH2A 受电弓的工作原理 .62.3CRH2A 型受电弓特点及其特性 .62.4 CRH2A 型受电弓升降装置 .7第 3 章 CRH2A 型受电弓模型 .93.1 CRH2A 型受电弓的日常检查 .93.2 CRH2A 型受电弓的故障 .103.3 CRH2A 型受电弓故障原因 .103.4 CRH2A 型受电弓故障分析及改 .11参 考 文 献 .17致 谢 .181摘 要世界上第一条高速铁路是 1964 年开通的日本东海岛新干线，发展至今已有53 年。近年来国内高速铁路飞快发展，随着列车速度的提高，受电弓与接触网关系的问题日益突出。动车组是通过受电弓从接触网上获取电能，所以良好的弓网接触是保证列车取流的必要条件，受电弓的滑板成了重中之重，列车运行时如何减少受电弓滑板的损耗，提高受电弓滑板质量已经成为高速铁路技术的重要问题。动车组受电弓滑板材料如今各国都在加紧研发，它所涉及的材料学问题是其解决受电弓滑板损耗的基础，早期接触网线多采用纯铜或铜合金材料，而在受电弓滑板方面，其材料经历了纯金属滑板、粉末冶金滑板、纯碳滑板、浸金属碳滑板等发展过程。关键词：动车组；受电弓；安全2第 1 章 绪 论1.1 研究背景根据我国的基本国情，国内铁路提速是通过修建电气化铁路和对既有线路的改造实现的。而铁路的电气化和高速化已成为世界铁路运输发展趋势，只有实现电气化，才能实现铁路运输高速化目标。因此发展高速铁路是铁路是现代化建设的必然趋势，而高速铁路均采用电力牵引和电气化铁路技术，高速列车必须在高速运行条件下可靠地从接触网上取得电能，否则将影响列车运行和电气驱动系统的性能。受电弓是电力机车的重要电气部件，属于高压电器，它直接与接触网接触，将电流从接触网上引入机车，供机车使用。随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，其基本要求有：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、动态稳定性好等。而在高速铁路迅速发展的今天，受电弓故障频繁的发生严重制约了高速铁路的发展，因而研究受电弓的故障原因与其处理方法具有很大的现实意义，同时也顺应了高速铁路的发展。电力机车获得电能主要是通过牵引供电系统，在牵引供电系统中向电力机车直接供电的是接触网。在电气化铁道中，接触网是架设在轨道上方，呈现重复“Z”形走向，沿线路线向机车提供的电力传输网。接触网上的电能是牵引供电所提供的，所以说在机车通过线路的时候，接触网上会一直有电，但是接触网上的电能不可能主动地输送到机车上。作为接触网和机车之间的过渡受流装置，受电弓的作用就是从接触网接触导线上受取电流供电力机车牵引车辆和照明生活使用的一种受流装置。在机车正常运行中，机车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，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。如果没有受电弓的中间受流，电力机车就不可能从接触网上获得电力供牵引电机使用从而产生牵引力，所以受电弓的中间受流环节作用是电力机车获得电力的关键因素之一。1.2 国内外高速动车组受电弓的发展3随着铁路的发展和列车速度的提高，噪声问题日益严重。噪声传递到车内，使乘客的乘车舒适度大大 降低;传递到车外，使铁路沿线两侧的居民深受其害，因此降低铁道车辆噪声具有很高的现实意义。目前，随着列车速度的提高，特别是动车组的投入运营，机 械噪声退居次要地位，而气动噪声逐渐占据统治地位。 原因是机械噪声源的散射平均按列车速度的 3 比率增加，而列车的空动噪声却按 5 到 6 的比率增大。动车组受电弓的气动噪声是主要噪声源之一。 因此，国内外一些国家为了降低高速受电弓产生的气动噪声，而采取了相应的措施。国内方面，在中国科技速发展的今天，动车具有清洁环保、高效节能等优点，在铁路运输中发展迅速，是今后铁路交通发展的一个重要方向。正是因为它的大力发展，也突显了受电弓的故障问题。动车组安全运行的关键部件就是受电弓，它是动车组从接触网上传递能源并获取能源的装置。受电弓安装在动车的顶部，受电弓在使用的时候会上升，与接触网接触，将接触网上获取电流，然后将电流从动车的顶部向动车的底部传送，使动车可以正常的运转。在动车停止时，受电弓不会升起而是贴在动车的顶部。受电弓是动车组与电流之间衔接桥梁，受电弓的好坏会影响动车组在运行过程中的安全问题，现在普遍在对动车进行提速，对于受电弓的性能也提出了比较高的要求，对于受电弓容易出现故障的原因，做出相关处理的措施，对受电弓定期的检测和故障处理，让动车组能够安全的运行。1.3 国内受电弓常见的故障受电弓故障的分析必须由专业的人员来进行，他们是受过专业的培训并具有良好的专业技术知识水平以及实事求是的科学态度和正确的指导思想，基本要求有：熟悉受电弓部件系统的结构原理相相互的控制关系，圆熟悉受电弓部件系窦茥菱的有关参数要求，圆掌握受电弓的运用知识。而对受电弓运用过程中各种故障进行检查的方法（1）升不起弓或自动降弓。（2）受电弓升起后放电。（3）滑板条磨耗。（4）途中受电弓破损严重或有异物。4（5）受电弓正常升起但 MON 未显示。（6）滑板偏磨。（7）受电弓部件损坏。（8）受电弓无法升起。（9）快速阀及 ADD 供风阀撞击。（10）连接管接头处漏风 。（11）压力开关显示。（12）弓头导流翼板、翼片遇阻。（13）弓网拉弧。本论文的主要工作在分析论证的基础上；着重对 CRH2A 受电弓故障进行分析，CRH2A 的故障及其改进。分析以 CRH2A 受电弓为例，主要完成以下内容：（1）分析 CRH2A 型受电弓的组成结构。（2）分析 CRH2A 型受电弓的工作原理。（3）CRH2A 型受电弓的特点及特性。（4）CRH2A 型受电弓的故障进行说明阐述。（5）CRH2A 型受电弓的日常检查。（6）CRH2A 型受电弓故障的原因 。（7）CRH2A 受电弓故障进行分析，并其进行改进处理。5第 2 章 受电弓概述2.1 CRH2A 型受电弓组成结构CRH2A 的编组方式是 4 节动车配 4 节拖车（4M4T），每 4 节为一个单元，牵引功率为 4800 千瓦，最高营运时速为 250 公里，标称时速 200 公里，列车装有两副受电弓。列车设有一等座车、二等座车和二等座车/餐车，其中一弓等座及二等座座椅均可旋转。CRH2A 可两组重联运行。CRH2A 基本上与日本的原型车E2 系相同，并使用与 E2 系相同的牵引电动机，但也按照中国国情及铁路标准而作出适当的改动，包括安装采用德国斯特曼公司（Stemmann-Technik）技术的 DSA250 型受电弓（日本的 E2-1000 使用 PS207 型），以适应高变化的沿线接触网。在驾驶拖车顶部均装有多种信号天线，这也是日本本土的同型车所没有的。 DSA250 型受电弓适合中国既有线路和客运专线铁路网。每个基本动力单元 1 个，4 号、6 号车车顶各装一台，全列共 2 个，其间用特高压配线连接。单臂型，安装有自动降弓装置具有自动降弓功能，适应接触网高度为53006500mm，最高运行速度为 250 km/h 动车组正常运行时，采用单弓受流，另一台备用，处于折叠状态。图 1 受电弓结构1底架；2阻尼器；3升弓装置；4弓装配；5下臂；6下导杆； 7上臂 ；8上导杆；9弓头；10滑板受电门由底架、升弓装置、下臂、上臂、弓头、滑板及空气管路等组成升6弓装置安装在车顶底架上，通过钢丝绳作用于下臂。下臂和弓头由质量较轻的铝合金材料结构制成。滑板安装在 U 形弓头支架上，使用材料为浸渍型或混合型碳滑板，弓头支架悬挂在弓装配和拉簧下 7 方，两个扭簧 4 安装在弓头和上臂间，这种结构的能缓冲各个方向的冲击，使滑板不至损坏气动元件安装在底架的控制盒内，自动降弓装置可以监测骨板的状态，如果滑板磨耗到限或断裂，受电弓会自动迅速降下，防止弓网事故的扩大动车组重联运行时，如前弓因故自动降弓 ADD 装置可通过车辆信息控制装置实现后弓的连锁降弓，保护后弓免受损 ADD 装置关闭阀安装在车内，当发生自动降弓后，如果接触网没有损坏，并且对受电弓性能没有影响时，可关闭ADD 关闭阀，重新升弓。更换滑板后，应重新启动 ADD 装置。表 1 受电弓参数型号 DSA250设计速度 250km/h落弓位伸展长度 约 2600mm最大升弓高度（包括绝缘子） 3000mm落弓位高度（包括绝缘子） 588mm弓头长度 1950 mm额定电压 25 kV额定电流 1000A接触压力 70-120N（可调）驱动类型 气囊驱动机构升弓时间 5.4s（可调）降弓时间 4s（可调）整弓质量 约 115 kg材质底架 钢上臂 铝合金下臂 铝合金弓头 铝合金/不锈钢上导杆 铝合金碳滑板 铝制支座/硬碳弓角 钛合金受电弓是靠滑板与接触网的滑动解除受流，是动车组与接触网之间的连接环节，受电弓的性能优劣直接影响到受流质量，间接影响动车组工作的可靠性，因此，对受电弓的受流性能有极高的要求，其基本要求是滑板与接触网之间接7触可靠，离线率低，动态稳定性好，尽可能小的磨耗；升弓降弓时不能对接触网有过分冲击，升弓降弓过程先快后慢，即升弓时滑板离开底架要快，接近接触网线时要慢，以防弹跳；降弓时滑板脱离接触网线要快，落在底架上要慢，以防拉弧及对底架的机械冲击。2.2 CRH2A 受电弓的工作原理受电弓配备了一个压缩空气驱动的自动升降装置，当接触带破裂时驱动装置将降低受电弓。在接触带的摩擦块中央有一条沟槽里面充满来自驱动装置的压缩空气，如果摩擦块断裂压缩空气就会泄露，底部驱动装置就会通过一个快速排气阀将受电弓降低，同时主断路器被触发以免由于电弧引起损坏。同样的方式当绝缘舵杆损坏时以相同的方式进行控制，该自动升降装置通过塞门在运行状态时进行隔离。图 2 CRH2A 型动车组受电弓示意图受电弓所有功能以及监控是通过各自的阀控制模块实现。受电弓升起是通过一个安装在控制阀 模块输入电缆中的电磁阀实现。升弓时间通过输入电缆中的电抗装置。降弓时间以及静态接触力以及自动升降装置中的压力开关的压力通过阀控制面板设置。阀控制模块所需的压缩空气由 MR 管提供，当列车准备时辅助空气压缩就会被使用。2.3CRH2A 型受电弓特点及其特性（1）动态接触性能好整弓采用先进的结构设计及采用大量优质铝合金和不锈钢等轻型材料，保证了较轻的质量；尤其是轻质量的弓头及较大的弓头自由度实现弓网的良好接触，在已进行的弓网试验检测表明，离线率几近为 0%。（2）寿命长整弓的设计寿命为 30 年；易损件设计寿命均在 5 年以上。（3）在接触网线正常的情况下，实现 10 万 km 免维护。8关键部件采用国际知名品牌，质量可靠，如荷兰 KONI 公司的阻尼器，德国 KNOR 只公司和日本 SMC 公司的阀类，德国 JNA.ASK 及 FAG 轴承，法国生产的气囊等。高质量配件的采用大大降低了产品的故障率及维修费用。（4）耐候性及耐腐蚀性强产品可在-40+70的气候条件下正常使用，适应中国广大地区及高温、高寒、高空气盐密地区。（5）独特的自动降弓装置（ADD 系统），系统结构简单、可靠性高，反应灵敏，动态情况下 1.2s 离线 150mm。（6）可匹配集成化主断控制器在弓网故障发生时，主断控制器可断开主断路器，从而避免了带负载降弓时弓网之间产生拉弧而损坏受电弓和接触网。该装置输出为无触.点控制，体积小、可靠性高、安装简单 受电弓特性较小的气动阻力及不同气流条件下保持不变的气动性能；由于总量较小以及有利质量分配，在低触点压力情况下以少量电弧进行能量传输；在单牵引以及多牵引时滑板运行效率较高；组件更换的简单易行使得维修极为方便，维护快捷无障碍，且维修费用极低；较高的横向稳定性；带有同高度无关的触点压力的万向运动；质量最小化的框形弓头；在 4 个拉伸弹簧上带有弹性悬挂装置的框形弓头可以向所有三个空同方向运动；在垂直方向上带有渐进式弹簧特征线的框形弓头。2.4 CRH2A 型受电弓升降装置 图 3 升弓气源控制阀组工作原理9可调节流阀 1:限制升弓速度。调压阀:调节受电弓工作压力，精确度 20kpa（每 10kpa 导致 10 N 压力变化）。压力表:粗略控制受电弓接触压力。可调节流阀 2:限制降弓速度。排气阀:调压阀故障时限制接触压力。升弓时:压缩空气由气源控