第六章_受电弓主变器及机械部分课件

第六章 受电弓、主变器及机械部分 6.1 电力机车受电弓 6.3 电力机车转向架 6.4 电力机车车体 6.2 电力机车牵引变压器 6.1 电力机车受电弓 一、受电弓基本知识 受电弓是电力机车上一个重要的电气部件，通过它直接与 接触网接触。它是是一种铰接式机械构件，通过绝缘子安装 在机车（动车）顶部。 作用：受电弓升起后，集电头（滑板）与接触网导线接触取流引 入机车，供车内的电气设备使用。 安装位置：它安装在车顶上，不用时处于折叠状态，运用时升起 与接触网接触。 运行： 司机操控TCMS（机车微机控制管理系统），通过压缩空 气升起或降下受电弓。 注意：机车正常运行时只升后弓，当其中一受电弓故障时，可经 高压隔离开关隔离，机车可使用另一受电弓继续牵引。 6.1 电力机车受电弓 受电弓结构示意图 6.1 电力机车受电弓 DSA200 型受电弓外形图 6.1 电力机车受电弓 DSA200 型受电弓主要技术参数 v 额定电压/电流: 25kV/1000A v 额定运行速度: 200km/h v 最大运行速度: 220km/h v 静态接触压力（不带阻尼器）: 7010N（可调） v 落弓位保持力: 120N v 输入空气压力: 0.41MPa v 额定工作气压 : 约0.36 Mpa（可调） v 升高到 2m 的升弓时间（自绝缘子底面）： 5.4s（可调） v 从 2m 高的降弓时间（至绝缘子底面）： 4s（可调） 6.1 电力机车受电弓 要求： （1）受电弓各铰接部分应转动灵活。 （2）受电弓气囊、空气管路及各接头连接处不得有漏气现象。 （3）所有紧固件应紧固到位，各导电软连线应安装良好，无断 裂或破损现象。 （4）滑板不得有严重缺损，安装牢固，接缝处应平整、密贴。 滑板托及弓角无裂损、变形。滑板托顶面平整，不得有严重 锈蚀。弓角与滑板之间应平滑过渡，间隙不得超限。滑板支 架活动部分在任何高度均能动作灵活。 （5）各弹簧件无裂损、锈蚀。 6.1 电力机车受电弓 型号：TSG15B型 应用在HXD1C上 气囊组装 弓头 弓头电流连接 上框架 平衡杆 拉杆 下臂杆 肘接电流连接 6.1 电力机车受电弓 DSA250受电弓： 在CRH2等动车组上运用。 工作高度： 5300mm5600mm 6.1 电力机车受电弓 受电弓是DSA350S: 专门开发用于高速列车。 摇臂结构可优化与高 架线之间的滑动接触情 况。刚性构架和摇臂结 构由铝合金制成。两个 滑动触点由铝制成，其 顶部覆有碳。 6.1 电力机车受电弓 二、高速受电弓 受流技术： 受流技术主要研究接触网与受流器之间接触状态、受流特 性及其影响因素。 弓网关系是轮轨（电气化）交通系统最重要的两个关系之 一（另一个是轮轨关系）。 当列车高速运行时，弓网在扰动力的作用下，将产生各种 周期或非周期性振动，进而使弓网之间的接触压力发生变化 。当接触压力增加时，会增加运动阻力和弓网磨耗，使接触 导线截面积减小，单位阻抗压降增加。反之，会使弓、网分 离，从而产生火花或电弧。 6.1 电力机车受电弓 1、高速受电特点 （1）波动特性影响受电 受电弓沿接触导线移动速度大，接触网与受电弓的波动特 性变化，影响受电。 （2）空气动态力影响受电 高速列车空气阻力很大，空气动态力影响大。 （3）受流功率大 高速列车功率大，需要解决受电弓从接触网大功率受电问 题。 2、高速受电弓的要求 （1）受电弓滑板与接触导线间接触压力恒定 6.1 电力机车受电弓 （2）尽可能减轻受电弓运动部分重量 目的是保证与接触网可靠接触。 （3）受电弓结构设计 力求使作用在滑板上的空气阻力由别的零件来承担，使滑 板在垂直工作范围内保持水平位置，减小甚至消除空气阻力 对滑板与接触导线间接触压力的影响。 （4）滑板材料、形状、尺寸满足要求 目的是保证良好的接触状态、更高的耐磨性能。 （5）升降弓时先快后慢 先快后慢，升弓时减小对接触网和底架的冲击载荷，且降 弓时可快速断弧。 6.2 电力机车牵引变压器 我国铁道电气化采用25kV单相工频50HZ供电制，则交-直、 交-直-交电力机车都需要牵引变压器。 电力牵引系统由牵引变压器、牵引变流器、牵引电动机三 大部分组成。 牵引变压器功能 一是将机车供电系统与接触网相隔离，二是将接触网高压 变压成牵引系统所需的压电，三是为变流器提供续流电感， 抑制谐波电流和钳制短路电流，缺保机车安全、可靠运行。 牵 引 系 统 牵引变压器 牵引变流器 牵引电动机 6.2 电力机车牵引变压器 不但交-直、交-直-交电力机车的变压器有别，就是交直 交中的CRH、HXD也有不同，故主要以HXD的变压器作简介。 一、牵引变压器的几个技术问题 “交-直-交”电力机车牵引变压器，其实是次边多绕组的 单相变压器，具有许多的特殊性。 1、运行特点 （1）空载工况下 特点： 网压变化大；电压波形畸变；直流偏磁。 研究解决： 励磁涌流（幅值大，68的IN，甚至几十倍；时间长）问 题；过电压问题；铁心饱和及发热问题；线圈机械及电气稳 定性问题等。 6.2 电力机车牵引变压器 （2）负载工况下 因牵引变压器负载为变流器及牵引电动机，则次边电压、 电流不是标准正弦波，发生畸变，使变压器的负载工况分析 变得异常复杂，目前，国内外无成熟、完整的分析理论。（ 原“南车”电机在该领域进行了探索性研究） 特点： 电流、电压波形畸变，谐波含量大；空间漏磁场强，磁力 线局部集中；发热及冷却技术复杂。 研究解决： 漏磁场问题；基波及谐波的发热与冷却问题；空间结构件 在磁场中涡流发热问题；线圈短路能力问题。 6.2 电力机车牵引变压器 2、谐波含量 经计算，谐波含量 总的谐波损耗占变压器总损耗的比例为16.5%，即变压器设 计时要事先考虑16.5%的冷却容量富余，线圈温升相应要考虑 谐波造成温升的增加，同时还应考虑集肤效应。 6.2 电力机车牵引变压器 3、 对变压器的影响（略） 4、牵引变压器的技术处理 （1）铁芯结构的选择 铁心磁密选取。保证网压31kV时，铁芯磁 密不至于饱和。 铁芯柱采取整体包扎。因变压器采取卧式 安装，铁芯柱需承受其本身和绕组的重 量以及机车运行时各个方向的冲击力， 所以对铁芯柱的强度和刚度要求高，故 整体包扎。（见右图） 铁芯、夹件及其它钢结构件可靠接地，避 免变压器内部出现环流和悬浮电位。 6.2 电力机车牵引变压器 （2）线圈结构的选择 绕组尽量设计成瘦高型，满足变压 器绕组疏耦合的要求。 高压绕组出线方式按A、X、X、A、A 、X布置，满足降低铁心窗高和牵 引绕组出线方便。 高压绕组导线采用漆包Nomex纸包扁 铜线，以提高高压绕组端部的绝缘 强度。 注：Nomex（诺梅克斯），称芳族聚酰胺，特 点是耐热性好，强度高。 6.2 电力机车牵引变压器 （3）油箱结构的选择 油箱以HXD1B变压器油 箱为原型，根据变压 器器身尺寸和安装位 置变化进行调整，箱 盖根据变压器出线和 强度要求进行调整。 油箱强度和刚度，根据 计算（有限元计算） 和实测（应力测试） 结果进行设计优化。 6.2 电力机车牵引变压器 （4）冷却方式的选择 变压器冷却方式， 采用强迫导向油循环 风冷（ODAF），双冷 却回路和强度要求进 行调整。 变压器冷却示意图 6.2 电力机车牵引变压器 二、HXD1C牵引变压器（简介） HXD1C牵引变压器采用卧式结构,强迫油循环冷却方式。 特点：短路阻抗高、牵引绕组间全解耦、机械强度高、容量大、 体积小、重量轻、效率高以及环保等特点。 实物图：牵引变压器如下图所示。 6.2 电力机车牵引变压器 安装位置： 牵引变压器安装在机车车底转向架之间和 两个风缸之间。 等效电路图： 次边有六个牵引绕组，分别经变流器驱动 6台牵引电机。 变压器等效电路 6.2 电力机车牵引变压器 三、HXD3C牵引变压器 型号：货运机车采用JQFP2-9000/25（DL）型主变压器； 客运机车采用JQFP-10160/25 型主变压器。 安装：采用下悬式安装方式的一体化多绕组变压器。 冷却方式：采用强迫导向油循环风冷。 采用全密封结构。 1、主要设计特点（两种主变压器相同） （1）采用下悬式安装，强迫导向油循环风冷方式；主变压器与 储油柜一体化，冷却装置分开布置。 （2）采用心式卧放结构，A级绝缘，普通矿物油； 6.2 电力机车牵引变压器 变压器及油循环系统均采用真空注油，储油柜封入高纯度氮气 ，是与空气完全隔离的全封闭结构。 （3）高阻抗绕组结构，使变压器内部空间磁场很强，大量采用 无磁结构件。 （4）油箱采用磁屏蔽的方式，避免漏磁干扰外部信号。 （5）线圈导线采用Nomex纸绝缘，具有耐热等级高，机械强度大 的特点。 （6）全铝板翅式冷却器，两路油循环系统。 （7）高压端子采用采用Nexans公司M400 AR-3 端子。低压端子 与HXD3 电力机车主变压器采用的端子一致。 （ Nexans：耐克森，总部设在巴黎，全球电缆制造及工程专家，全球十大综合 布线品牌之一） 6.2 电力机车牵引变压器 2、主变压器循环冷却原理 两种主变压器相同。 主变压器有两个油循环回路。 油箱内被隔板分隔成二个区， 一端为进油区，另一端为出油区 。出油区的热油被油泵抽出，经 蝶阀、油流继电器送入油冷却器 ，通过散热翅片与冷却空气进行 热交换后，油管和蝶阀由油箱进 油侧进入线圈，在线圈内部流动 、冷却，由线圈排油侧流出到油 箱的出油区，如此往复循环。 循环原理图循环原理图 6.2 电力机车牵引变压器 3、保护功能（两种主变压器相同） （1）油温保护 主变压器具有油温检测功能，设1个温度继电器，检测油温 ，当油温超过100时，温度继电器动作，主变流器封锁，停 止输出功率。 （2）油流保护 有两路油循环冷却支路，各设一个油流继电器对油流情况 进行监测。若一油流继电器检测到无油循环，则该冷却支路 对应的3组牵引变流器和1组辅助变流器禁止功率输出，机车 的牵引功率下降50%；若两个油流继电器均检测到无油循环， 则断开主断路器。 6.2 电力机车牵引变压器 （3）压力保护 安装压力释放阀，当变压器内部压力达到9515kPa 时， 压力释放阀动作，释放压力，同时在微机显示屏上显示。 主变压器实物图主变压器实物图 6.3 电力机车转向架 一、概述 电力机车（动车）一般由车体和转向架两部分组成,通过 支承装置弹性连接，将车体支承在转向架上。 转向架： 把两个或多个轮对用一定的结构连接起来、并设相关辅助 装置组成的一个小车称为转向架（bogie），又称为走行部、 走行装置（running gear） 。 目的： 提高车辆曲线通过能力； 增加车辆载重。 6.3 电力机车转向架 1、转向架的作用 （1）转向架相对车体可以自由转动； （2）使较长的车辆能够通过较小曲线半径的曲线，减小运 行阻力和噪声，提高运行速度； （3）采用转向架可以增加车辆长度、载重和容积； （4）便于安装减振装置，使车辆具有较好的动力性能和运 行品质； （5）支承车体，使重力分配均匀； （6）便于安装牵引电机和制动装置；便于维护和互换。 6.3 电力机车转向架 2、转向架的分类 （1）按有无动力分 动力转向架，非动力转向架； （2）按动力传动方式分 单独传动： 每一动轴由一台牵引电机传动。 组合传动： 每台转向架上只装一台牵引电机，通过齿轮链来驱动该转 向架上的所有轮对。 注意：单独传动时，在数字或字母的右下角注以“0” ，采用组合 传动时不注。 6.3 电力机车转向架 （3）按轴数分 二轴转向架（B0-B0），三轴转向架（C0-C0）等。 （4）按牵引电机悬挂方式分 半悬挂：也叫抱轴式悬挂或轴支承式悬挂。 特点：牵引电机的一侧通过滑动或滚动的抱轴轴承直接扣压在 车轴上，另一侧则通过悬挂装置弹性的悬挂在转向架构架的 横梁上。 全悬挂：又称架承式悬挂。 特点：牵引电机通过悬挂装置完全固定在转向架构架上（也有 悬挂在车体上的）。 6.3 电力机车转向架 3、转向架关键参数 v 轨距：我国铁路标准轨距1435mm； v 轮对内侧距：标准轮对13533mm ，快速轮对13532mm； v 固定轴距：同转向架最前位与最后位车轴中心线间的距离， 我国规定客车一般取2.42.6m； v 最高运行速度； v 车轮直径：我国铁路客车标准轮径915mm，货车轮径840mm ，电力机车轮径1250mm，动车组860mm。 v 轴重（Axle load）：每个轮对施加到轨道上的载荷，包括轴 上承受的载荷与轮对自身重量； v 转向架重量：不宜大于7t； v 通过最小曲线半径：我国规定对于客车转向架通过最小曲线 半径为连挂145m，单车调车100m； 6.3 电力机车转向架 动车组、客车的轴重： v 200km/h及以上动力分散动车组动车：17t； v 200km/h及以上动力集中动车组动车：21t； v 200km/h及以上动车组拖车：16t； v 200km/h客车： 15.5t； v 160km/h客车： 16.5t； v 120km/h客车： 18t； v 200km/h客运机车： 22t； 6.3 电力机车转向架 二、动车组（高速）转向架 1、动车组转向架的基本要求 v 良好的运行稳定性和舒适感（动力学） v 简单的结构和轻量化（可靠性） v 方便出色的维修保养性 v 防止脱轨的安全性（动力学） 6.3 电力机车转向架 国外高速转向架的试验研究证明，当车辆的运行速度超过 200km/h时，有可能出现这种不稳定的蛇行运动。 高速运行时的稳定性、平稳性和良好的曲线通过性能等关键 技术问题。稳定性主要是蛇行运动。 轮对的蛇行运动： 6.3 电力机车转向架 高速转向架发展概况： 20世纪5080年代，一些国家开始将列车速度提高到140 160200km/h。 日本东海道新干线列车所用的DT200型转向架，最高运营 速度为210km/h； 法国于1973年正式生产Y32型转向架，其最高运营速度为 200km/h； 德国于1974年开始生产MD52型转向架，最高运营速度也 是200km/h。 法国1990年5月的TGV转向架提高到515.3km/h。2007年 TGV时速达574.8km/h。 6.3 电力机车转向架 2、动车组转向架主要分类 分类原则 因车辆用途不同、运行条件差异、制造维修方法等具体因 素的影响，以及对转向架的性能、结构、参数和采用的材料 工艺等要求的差别，出现了多种型式的转向架。各种转向架 的主要区别在于：弹簧悬挂系统的结构与参数，垂向载荷的 传递方式，轴箱定位方式，制动装置的类型与安装，构架的 结构型式以及作用原理等诸方面。因此，可按转向架作用原 理及结构型式分类。 6.3 电力机车转向架 （1）按作用原理分类 ETR460470480(瑞典) LANZADERAS（西班牙） ICT（德国），SM3 （芬兰） 中国 IC2000-ALARIS（西班牙） CDT-680（捷克） NEW PENDOLINO(瑞典) CP型和SZ型等 高 速 转 向 架 系 列 产 品 摆式转向架非摆式转向架 注：摆式可提高曲线限速的（2540）% 6.3 电力机车转向架 （2）按轴箱定位方式分类 轴箱定位装置 定义： 约束轮对与构架之间相对运动的机构。 作用： 轴箱定位方式决定动车组转向架结构型式。 意义： 适宜的轴箱弹性定位，以避免车辆在运行速度范围内发生 激烈的振动，保证车辆在曲线上运行时具有良好的导向性能 ，减小轮对与钢轨之间的冲击和侧压力，减轻车轮轮缘与钢 轨的磨耗，确保车辆运行的安全性和平稳性。 6.3 电力机车转向架 基本要求： 纵向和横向具有适宜的弹性定位刚度，其值 是该装置主要 参数； 结构形式应能保证良好地实现弹性定位作用， 性能稳定， 结构简单可靠，无磨耗或少磨耗， 制造检修方便，重量轻， 成本低等。 结构方式： 板弹簧式、 IS式（拉板式的一种）、拉板式（支撑板式） 、麦弗逊式、轴箱导框架式 （普通客车及机车用）、圆柱导 轨式、拉杆式 、圆锥叠层橡胶式、转臂式等 6.3 电力机车转向架 6.3 电力机车转向架 3、动车组转向架的结构及其作用 结构： 轮对轴箱装置、构架、弹性悬挂装置、牵引装置、基础制 动装置。 动车转向架：增加驱动装置。 （1）轮对 组成：车轴、车轮 车轮： 我国动车组采用整体辗钢车轮； 车轮由踏面、轮缘、轮辋、辐板、轮毂等部分组成； 踏面形状：锥形、磨耗形。 车轴：承受弯矩、扭矩，载荷有交变的，还有突加的。 由车轴钢锻造而成。高速列车采用空心轴。 6.3 电力机车转向架 （2）轴箱 作用： v 连接轮对与构架，将车轮绕其轴线、沿轨道方向的转动转化 为车辆沿轨道方向的平动； v 承受载荷与冲击，传递各向力； 注意：轴箱装置需要保证良好的润滑与密封。 （3）构架 结构形式： H形、口字形、目字形、日字形，常用H形。 要求：强度：静强度、疲劳强度； 刚度 6.3 电力机车转向架 （4）中央悬挂 即中央弹簧。通常为螺旋圆弹簧、橡胶弹簧或空气弹簧。 空气弹簧：在柔性密闭容器中充入压力空气，利用空气的可压缩 性实现弹性作用的非金属弹簧称为空气弹簧，由本体、附加 空气室和高度调整阀组成，同一转向架两侧的空气弹簧还需 要设置差压阀。 优点：大柔度、小刚度； 在任何载荷下保持车辆高度不变； 在任何载荷下保持车辆自振频率不变； 吸收高频振动、降低噪音效果好； 具有良好的非线性刚度特性。 6.3 电力机车转向架 4、典型动车组转向架 CRH2型（四方/川崎）动车组转向架 6.3 电力机车转向架 动力转向架 由构架、 轮对轴箱、牵引装置、基础制动装置、二系悬挂 装置、牵引电机、驱动装置组成。 每节动力车厢下有两个动力转向架。每台动力转向架有两 根动力轴，电机采用架悬方式，降低了簧 下质量，改善了动 力学性能。 拖车转向架 与动车转向架组成结构基本一致，但没 有牵引电机和驱动 装置。 拖车下是拖车转向架。 6.3 电力机车转向架 转向架结构概要 转向架为