电子科学与技术选修课论文受电弓的应用.doc

电子技术与实践课程论文姓 名： 马 强 班 级： 计 科 1206 学 号： 12281148 日 期： 2013年12月12日 北 京 交 通 大 学受电弓在高速动车组上的应用马强北京交通大学计算机与信息技术学院摘要：受电弓是电力机车从接触网获取能量的装置。对于受电弓优化性能的研究，对于高速动车的发展有着至关重要的作用。受电弓在动车行驶的过程中降低能耗可以提高能量利用率，本文将通过对高速动车受电弓的结构分析，简单了解受电弓的发展和工作原理等。关键词：受电弓的结构，受电弓的发展，工作原理0 引言随着全世界范围内铁路运输事业的不断发展, ，发展高速铁路是交通运输的又一发展方向。高速铁路一般电力为主。高速铁路需要一系列高速配套技术: 适应高速的路网及信号系统、高速受电弓、高速转向架、列车制动系统、符合动力学性能的车体等等。高速受电弓是高速铁路的重要部件, 在受流中作为弓网系统的关键电器。1 受电弓的基本结构1.1 法国：法国东南新干线采用AMDE型受电弓，于1981年2月26日创造了380 km/h的世界纪录，AMDE型受电弓为双层小开度型（或称子母弓）受电弓，接触压力为7080 N，采用碳滑板，归算质量为9 kg。为了更好地适应400 km/h以上速度的受流需要，抑制弓网电弧的产Faiveley公司研制的新式GPU型单层受电弓在法国国铁(SNCF)大西洋新干线中采用，于1990年5月18日创造了515.3 km/h的世界纪录。CX型受电弓是Faiveley公司研制的另一种高速受电弓，其可随车速的变化而自动调整接触压力，使弓网的跟随性大大提高，从而减少电弧的产生。Faiveley公司研制的X系列受电弓自1990年以来经历了长期的试验过程。该受电弓采用合成纤维弓头，重量减轻了30%40%，使用有限元分析法和模拟技术使动态重量和受流质量得到了显著的改善，受流质量的提高自然就降低了弓网电弧的发生率。X系列受电弓均采用气垫支撑装置和高性能空气调整装置，关节式结构不受运行速度和方向的影响。为适应特别需要，既可安装高上升度弓头滑板，又可安装低上升度弓头滑板，使维修量大为减少。1.2 日本日本在新干线上采用的是PS200系列受电弓。该系列受电弓为双臂菱形受电弓，采用弹簧升弓气动降弓的操作方式，单弓头，铜基粉末冶金滑板，上下框架采用异型钢管焊接，纵向（顺线路方向）框架折叠尺寸为850 mm，追踪范围为500 mm，受电弓基座加盖整流罩；弓头结构简单，重量轻，可满足200 km/h以上的受流需要，并且较好地抑制了弓网电弧的发生。PS200A型受电弓为双向作用阻尼器，单弓头，用于0系电动车组，弓头归算质量为6.93 kg架归算质量为9.17 kg，接触压力为54 N+15 N。PS201型受电弓用于200系电动车组，为单向用阻尼器，单弓头，2块滑板相互独立支撑，弓头归算质量为10 kg，框架归算质量10.19 kg，接触压力为54 N+15 N。PS204型受电弓用于400系电动车组，为单向作用阻尼器，单弓头，2块滑板相互独立支撑，弓头归算质量9.68 kg，框架归算质量9.17 kg，接触压力为54 N+15 N。1.3 德国 德国的高速铁路采用SBS65型受电弓。为了进一步提高行车速度，Domier公司研制了新式的DSA-350S型受电弓，该弓具有以下特点： (l)备用控制高速时空气抬升力的稳定器； (2)尽可能减小滑板的重量，导角用薄壁管子制成； (3)2块滑板互相独立，由框架支持； (4)滑板的支持为伸缩型，行程可达50 mm; (5)滑板采用碳滑板，重量较轻； (6)采用气垫支撑和高性能空气调整装置。 该受电弓设计速度为350 km/h，可随车速的变化在一定范围内对接触压力进行自动调整，使弓网的跟随性进一步提高，弓网电弧就更不易产生。可以看出，通过改进受电弓的弹性系统、减轻弓头重量、增加主动控制方式等提高受电弓弓头的跟随性能降低离线率，从而减少弓网电弧的发生。日本规定高速铁路受电弓离线率控制在5%以内，最高不超过20%;德国规定高速铁路受电弓离线率控制在5%以内。但根据欧洲标准，高速铁路的离线率应当在0.14%范围以内。 2 受电弓滑板的发展受电弓滑板是电力机车获得动力来源的重要集电元件，滑板质量是影响受流质量的一个关键因素，而受流质量又直接关系到弓网电弧的产生。滑板安装在受电弓最上部，直接与接触线接触。滑板在静止或滑动状态下从接触线上获得电流，为机车供应电力，维持其正常运行，一般传导电流为100400 A。随着列车速度的不断提高（目前国际上最高商业运行速度已接近400 km/h，弓网相对滑动速度约III m/s），要求受电弓滑板的综合性能也越来越高，世界各国对电力机车受电弓滑板尤其是滑板材料的研究也在不断深入。2.1 前苏联 1969年，前苏联在l 500 V直流电气化铁道区段上开始试用粉末冶金滑板。1972-1976年，在保加利亚、匈牙利、东德、波兰、前苏联和捷克等国对完善电气化铁道的接触网及受流问题进行的综合科学技术研究中，针对粉末冶金滑板进行了专门研究并在适宜区段推广应用，其中前苏联对铁基粉末冶金滑板的研究更为深入。2.2 欧洲 在欧洲，法国的TGV，德国的ICE，西班牙的AVE都是著名的高速列车，它们和日本的新干线高速列车被认为代表现代铁路的最高水平，并不断刷新列车速度的最高纪录。德国ICE (250 km/h)自1991年运行以来，一直使用纯碳素滑板，其磨耗率为0.170.22 mm/kkm。法国TGV最高时速达300 km，TGV东南线(270 km/h)以前曾用过钢滑板，TGV大西洋线以前采用钢和碳滑板2种，现在TGV普遍采用碳滑板，其受电弓用的碳一石墨滑板的磨耗率为0.250.54 mm/kkm，寿命可达30万km以上。在英国，电气化铁道传统上使用的浸金属碳滑板，其新开发的纯碳素滑板具有电阻率低、强度高的特点，磨耗率为0.250.54 mm/kkm。2.3 日本 日本受电弓滑板材料大致经历了由纯铜、石墨、烧结合金材料到浸金属碳滑板4个过程。日本电气化铁道刚开通时，列车的平均速度低于64 km/h，主要使用的是纯铜受电弓滑板，具有机械强度高、使用寿命长、成本低、引发弓网事故几率小等优点，但缺点是其亲和力大，与接触线之间易引起粘着磨损，且损耗严重。1925年开始，日本为了节约有限的铜资源，开发了导电性与自涧滑性较好的石墨滑板材料，其优点是对接触线的磨损小。但是由于石墨存在电阻系数较大、集电容量小、耐冲击性差等问题，所以在1949-1951年，日本又研制了铜系合金烧结滑板材料(BB)，其阻系数比石墨滑板小，冲击韧性也有所提高。1953年以后，日本又先后研制磷铜合金烧结滑板材料(TC103)、铁系合金烧结滑板材料(DM)、硬质系烧结滑板材料（CR-ICR-2）。日本早期受电弓滑板材料的基本性能见表15。1964年日本东海道新干线正式开通了世界上第一条高速铁路，列车运行速度达到了210 km/h，最高试验速度达到256 km/h。新干线的开通使日本列车的平均速度由64 km/h提高到210 km/h，使电力机车同时也使受电弓滑板材料的研究与应用进入了一个新时期。2.4 我国受电弓滑板材料的发展 我国的电力机车受电弓滑板材料的发展主要经历了由铜、纯碳、金属系烧结材料到浸金属碳滑板4个过程。1961年我国第一条电气化铁道开通，列车最高运行速度小于70 km/h。电力机车采用法国进口的6Y2型电力机车，滑板为钢板条，接触线为铜质导线。由于钢滑板和铜导线的亲和力较强，使接触线磨耗十分严重，运行不到5年，使用的TCG-lOO铜接触线的高度由11.8 mm磨耗为9.4 mm7。铁道科学研究院等单位为解决接触线磨耗严重的问题，研制了纯破滑板材料，在宝凤段实际运行后，使该段接触线寿命延长了20年，取得了良好的效益。但纯碳滑板材料的机械强度较低、冲击韧性较差，在100 km/h以上的运行中遇到接触线硬点容易造成滑板折断和破裂，使用寿命低，特别是在雨季和潮湿地区，因摩擦力增大，常出现弓网故障及产生电弧。1965年西安铁路局、铁道科学研究院机辆所等单位共同协作，通过在金属系（铁、铜）粉末中添加一些润滑成分（如碳、铅和二硫化钼等），开发了冲击韧性较好的金属系烧结滑板材料。该滑板材料在使用中可形成润滑膜且摩擦系数较低，较好地代替了纯碳滑板材料。因此，在1980年初，该滑板材料成为我国100 km/h干线的定型产品，在15个机务段得到了应用。但该金属系烧结滑板材料的抗拉弧能力较差，在离线或触线的瞬间，经常出现烧熔、与接触线粘连等现象，受流质量也不理想。1988年在大秦线运行1年，铜接触46线的平均磨耗达到11.4 nrm2/万架次，受电弓滑板材料的磨耗最高达到28 nrm2/万架次。此后，铁道科学研究院金化所等单位相继研制并推出了机械复合式铜基烧结滑板材料，其性能较已有金属系烧结滑板材料的性能有所改进，既提高了自身寿命，又降低了接融线的磨耗，受流质量也有所提高，在100 km/h干线上是一种较为理想的滑板材料。当电力机车的速度提高到160 km/h时，会导致离线率增加，拉弧频繁，已有金属系烧结滑板的组织疏松、耐拉弧性差，高速运行时不能满足要求。因此20世纪90年代，我国又开始采用组织致密的浸金属碳滑板材料，它是将碳基体中存在的大量气孔填满金属，形成实用的凝体，集中碳材料和金属材料的优点。1990年11月，由铁科院及哈尔滨电碳厂联合研制的浸金属碳滑板达到了浸金属碳滑板的技术标准要求，他们生产的C203滑板的部分性能已经接近世界先进水平。1992年，四川某单位又研制了C26P型浸金属碳滑板，各项性能均达到或接近英国的MY7D滑板的性能。3、 受电弓特性与受流的关系要保持良好的受流特性，除了接触网的参数外，还必须有性能良好的受电弓来配合，受电弓是一个弹性结构装置，它由升弓弹簧保持与接触导线的接触压力，当接触网的悬挂结构高度有大的改变时，由受电弓框架调整高度来适应，比如吊弦分布形成的高低不平，则由弓头下面的弹簧来适应。而受电弓各个杆件都有一定的质量，随高度变化产生的惯性力也在改变，在计算受电弓的结构时，是采用归算到受电弓与接触导线相接触的那点，称为归算质量。为保持受电弓动作灵活，反应迅速，要求它的质量要小，材质强度要高。良好的受流状态，要求受电弓在受流过程中火花和离线要少，导线和滑板的磨损要小，具有小的接触电阻；同时要限制受电弓的最大抬升力引起的接触导线连续抬升而导致的导线和滑板的磨损增加。因此要求受电弓在整个工作范围内，保持一定的静压力。在列车运行中，受电弓的抬升力除了静压力外，还有运行中风作用产生的空气动力学成分，受电弓和接触网相互作用的动态力学成分随速度增大而增大。 4、 国外受电弓性能比较4.1 法国TGV型受电弓 基于受电弓特性与受流的关系，法国TGV采用了轻型两级式（双层）的A型（单臂）受电弓，整体质量约300Kg，上部的动质量约13Kg ,静抬升力为70N，动抬升力为180N。交流区段用一台受电弓，最大电流0.6KA,直流区段用双弓，最大电流1KA,在巴黎里昂线使用的是钢滑板；大西洋线仍采用单级受电弓，因为发现两级式受电弓的扬力特性不好，当抬升力过大时，线路的磨损就增加了。4.2 德国受电弓德国ICE高速列车用DSA-350型受电弓，整体质量140Kg，接触压力为50130N，驱动方式是气动升弓，有阻尼的降弓。滑板用铁制的弓头上焊着炭滑板，形成一个整体，更换时一体更换，寿命很长，更换周期通常可达150000km, 在条件恶劣情况下也可达65000km不涂石蜡或黄油。最大允许电流0.8kA, 瞬时为1.3A, 最高运行速度280km/h。SBS65型受电弓重量轻，体积小，维护费用小，具有良好的空气动力学外形。4.3 日本的PS系列受电弓 日本国铁机车运行速度提高得很快。日本对受电弓的改进主要是抓住了衡量受电弓好坏的主要指标之一离线率。受电弓的改进始终都是为了降低离线率。使离线率减小的重点是减小受电弓顶部的归算质量。为提高受流性能，减小离线，就要提高框架的上下振动的固有振动频率和受电弓弓头的上下振动固有频率。对实现前者来说有减小归算质量和加大接触压力两种方法。加大接触压力必然会加大导线的磨损，这是不可取的，只有减轻归算质量。为了提高弓头的上下振动固有频率，可以考虑减少振动部分质量；提高复原弹簧的弹簧系数；使受电弓弓头的实际可动范围减小。但这样就有可能引起接触导线上由于硬点而引起的受电弓对它的冲击。考虑上述实际情况，可采取在这受电弓上放置小型受电弓的二段式受电弓，减小归算质量，同时将接触导线张力加大。5、 弓网受流原理 发展高速铁路是解决我国铁路运能不足最有效的手段，对我国的国民经济的发展有至关重要的作用，而电力牵引以其运量大、速度快、能耗低、污染小、运价廉和安全可靠等优点，成为未来牵引动力的主要模式。动车通过受电弓弓头的滑板与接触导线接触，相对滑动，接触导线受取电流。研究动车高速运行状态下的弓网关系，以保证高速运行情况下能稳定受流，成为高速电气化铁路安全运行的关键问题之一。5.1 弓网间的接触压力 接触导线和受电弓组成一个阻尼很小的振动系统，随着运行速度的提高，受电弓会产生振动，从而使接触导线和受电弓间的接触压力产生变化。弓线间的接触压力可描述受电弓与接触导线之间的接触程度与状态，也是评价受流质量的重要条件，其中包括最大值、最小值、平均值。5.2 离线率及持续时间离线率是衡量高速受流的重要指标，离线是指受电弓和接触线