深度解析受电弓的结构与特性

深度解析受电弓的结构与特性

受电弓是电气列车上的一种从接触线上集取电流的专用设备，由弓头、框架、底架和传动系统等部分组成。其结构和特性直接影响到列车的运行安全和效率。本文将从多个维度深入解析受电弓的结构与特性，包括其发展历史、标准、国内外受电弓的介绍、结构组成、性能要求、电气性能、力学特性、动态特性、试验方法等内容。

受电弓的发展

受电弓的发展经历了从简繁简双臂菱形对称结构到单臂Z型非对称结构的演变。其定义为安装在电气列车上的一种从一根或几根接触线上集取电流的专用设备，由弓头、框架、底架和传动系统等部分组成，其几何形状可以改变。

研究受电弓的目的

研究受电弓的主要目的是为了确保电动列车能够获得稳定的电能供应。良好的弓网关系是保证电气化列车安全、可靠运行的关键技术之一。接触网是受电弓的“路”，两者之间的相互作用直接影响列车的运行性能。

受电弓的标准

受电弓的标准主要包括以下几个方面：

• UIC608
• UIC794
• 干线车辆受电弓特性与测试
• 地铁和轻轨车辆受电弓特性与测试
• 国际通用受电弓
• 欧洲高速铁路网受电弓与接触网相互作用（EN50206-1、EN50206-2）
• GBT21561.1轨道交通机车车辆受电弓特性和试验第1部分：干线机车车辆受电弓
• GBT21561.2轨道交通机车车辆受电弓特性和试验第2部分：地铁与轻轨车辆受电弓

国内外受电弓介绍

PS200A

PS200A受电弓具有以下特点：

• 最高速度：380km/h
• 子母弓设计
• 大西洋线最高速度：515.3km/h
• 单层Z型弓
• 东部线最高速度：574.8km/h

GPU型受电弓

GPU型受电弓可用于DC1500V及AC25kV、50Hz两种供电制式，最大受流可达2000A，最高运行速度300km/h，整套装置的重量比AMDE轻100kg。空气动力特性良好，300km/h时，最大接触力只有120N；弓头装有故障检测机构，可自动检测并降弓保护；具有防强风保护接触线装置。

CX型受电弓

CX型受电弓可在一定速度范围内对接触力进行多级控制技术，高速时抬升力很小，根据选择的位置可任意调节弓头接触力；采用电子控制和空气伺服阀的前馈控制技术；新型合成材料使受电弓减轻重量30%～40%；具有非常优良的空气动力学性能；在DC1.5kV供电制式下，最大受流能力为2500A。

DSA系列受电弓

• DSA150——160km/h
• DSA200——200km/h
• DSA250——230km/h
• DSA350SEK——280km/h
• DSA350G——220km/h
• DSA380D——330km/h
• DSA380F——330km/h

Siemens受电弓

• 型号8WL0速度220km/h
• Siemens+Schunk优化了框架动力学性能、良好的动力学性能、降低收弓高度、双向运行。
• 型号SSS400+速度350km/h
• ASP400型—单臂设计—闭环控制—实时反馈控制
• SBS65Re160、Re200

中国受电弓的发展

• ДЖ-5(苏)(6Y1)
• Q3TSG1(1978)
• AM51UF(8K)
• TSG3(1993)
• DSA系列(200、250、380)(Stemmann-Technik)
• 8WL0系列(6YH69、SSS400+)(Siemens+Schunk)
• LV-2600(6K)
• M7(6Y2)
• AM51BU(6G)
• TSG15/19

受电弓的类型与参数

单臂弓

• 非对称结构
• 质量轻

双臂弓

• 对称结构
• 质量重

T型弓

• 空气动力学特性好

二次弓

• 弓网接触性能

受电弓的结构

受电弓的基本组成包括：

• 框架
• 底架
• 弓头
• 滑板
• 弓角
• 弓头长度
• 弓头宽度
• 弓头高度
• 滑板长度
• 下部工作位置
• 上部工作位置
• 工作范围
• 落弓高度

受电弓的组成

弓头结构

弓头由滑板、滑板托架、弓角、悬架等几部分组成，安装在受电弓框架顶端，随上下移动，并能绕自身的固定转轴作少量的转动。滑板是集电元件，与接触线滑动接触完成牵引电能的传输。

滑板形式

• 整体双滑板
• 分体双滑板
• 单滑板

悬挂形式

• 圆弹簧
• 板簧
• 橡胶直线作用
• 扭转作用

受电弓的滑板材料

对滑板的技术要求

• 接触电阻要小
• 熔点高
• 导热性良好
• 质量小
• 机械强度高
• 弹性好
• 与铜或铜合金接触线之间的摩擦系数小
• 便于实现轻量化和标准化

框架

框架的类型包括：

• 双杆型
• 单杆型
• 方形管
• 圆形管
• 叉形结构

传动机构

传动机构包括：

• U型连杆传动
• 气缸进气口
• 转臂绝缘子
• 缓冲阀
• 升弓弹簧
• 扇形板
• 气囊桁架
• 扇形板ADD
• 阻尼器

ADD装置

当发生弓网事故引起碳滑板内部毛细气管泄露或者中间气路传输通道的毛细气管发生破裂时，如果该部分气体的泄露量大于ADD阀体内部的补给量，会导致该部分迅速减压，引起ADD内部两腔体的气压不平衡，其结果是ADD阀体迅速打开通向气囊的腔体，将气囊内部的空气迅速的直接排向大气，引起受电弓快速降弓。

受电弓的性能要求

对受电弓的总体要求包括：

• 在各种速度下及多机重联牵引时能可靠受流
• 在所有使用条件下、遵守各接触网规定的允许抬高
• 在高速时噪声辐射要小
• 在两个运行方向上有中性的空气动力学性能
• 运行超过10万km时，滑板和接触线的磨损要小
• 有较高的可使用性
• 维修简单且费用低

受电弓的基本要求

• 弓头纵向偏移量
• 弓头框架升降弓装置基本要求：上下走直线弓头不偏摆
• 静态接触恒定
• 单臂受电弓弓头跟随性好
• 动态响应快
• 阻尼合理
• 受空气影响小
• 噪音小
• 质量轻
• 动力学性能基本要求

受电弓的电气性能

• 小接触面传输大电流
• 静态接触电阻
• 弓网系统电弧
• 受流质量
• 电气磨损
• 温升
• 电气参数：额定电流（静止时、运行时）
• 设计工作电压
• 绝缘强度

受电弓的力学特性

静态接触力

静态接触力偏差某架SSS400+受电弓静态接触力曲线

空气动力

气流作用导致受电弓产生向上的力弓头上安装翼片，均衡两个方向的空气动力受电弓的设计使FAER=kv2

动态接触力分力

FDYN=Mtat=-Mt(2π/l)
2v
2et

接触力

F=F0±FR+FAER±FDYN

受电弓设计接触网、轨道等弓网接触力F——受电弓垂直作用到接触网上的力静态接触力F0
——停车时，传动机构使受电弓垂直作用到接触网上的力磨擦力FR
——关节间磨擦产生的力，与弓头运行方向相反空气动力FAER
——气流对受电弓的作用力动态分力FDYN
——由垂直振动引起的惯性力

平均抬升力

平均抬升力目标值（AC系统）平均抬升力目标值（DC系统）Fm=F0+FAER=F0+kv2

受电弓的静态特性

• 额定静态接触压力
• 同高度压力差
• 同向压力差
• 静态压力曲线
• 工作高度
• 最高升弓高度
• 升降弓时间
• 静态接触压力

受电弓的动态特性

不同工作高度受电弓频响——两自由度弓头悬挂控制频率框架悬挂控制频率

受电弓的性能优化

优化目标：

• 确保高速运行条件下的可靠性和安全性
• 受流质量良好，离线率和电火花在容许范围之内
• 平均接触压力不超过120N
• 标准偏差不超过24N
• 应有尽量长的使用寿命，不低于150~200万架次

优化内容：

• 弓头垂直运动轨迹
• 主轴转矩
• 维持动态平衡及升弓弹簧刚度
• 归算质量
• 静态接触压力

受电弓的归算质量

受电弓的归算质量是指将整个受电弓的活动部分（如滑板、托架、框架等）的实际质量归算到弓线接触点，使整个受电弓具有与受电弓滑板相同加速度的质量，该质量所产生的动能与整个受电弓所产生的实际动能相等。受电弓的归算质量不是一个常数，它随受电弓的升弓高度变化而变化。其算法有多种，但均是根据动能相等的原理进行的。

实践和研究表明：受电弓的归算质量应控制在8~25千克之间。受电弓的归算质量越小，它的跟随特性就越好，适应接触网的能力也就越强，能有效降低受电弓的动态振幅。对受电弓而言，归算质量的作用与接触网的波动速度对接触网的作用相当！

双弓运行时的问题

受电弓的主要试验

受电弓试验种类

• 型式试验
• 例行试验
• 研究性试验
• 综合试验

用于验证产品的特性时候与型式试验中的测量结果相一致，供货商应对每一产品进行例行试验。应该在指定设计的单个产品上进行。为了获得补充信息而在某个单项上进行的特定补充性试验，仅当订货合同明确指定时才进行该试验。只有在运行环境下才能进行的特定和补充的试验，该试验应在订货合同规定使用的轨道和接触网系统下进行。

受电弓的静态接触力测量（例行试验）

在一个连续的升降周期内，在弓头保持0.05m/s运行速度的情况下，在弓头悬架下直接测量静态接触力静态压力曲线

受电弓的升降操作耐久性试验（型式试验）

装有最大设计质量弓头的受电弓，应能承受10000次从落弓位到上部工作高度的连续升降操作。对于最初的500次和最后的500次操作，传动系统提供符合规定的最小能量值时，受电弓应能升到最大伸展位置安装弓头的受电弓在上述同样条件下，在工作范围内以0.1m/s的速度承受75000次连续的升降操作（如果装有阻尼器，应事先被断开）试验后，受电弓的所有参数均应能调整到标称设计值，且无异常磨损、变形或断裂，并应能满足使用要求

受电弓的横向固有频率试验（型式试验）

受电弓伸展到上部工作位置的75%处，在弓头支承轴处施加300N的横向力，使之偏离原来所处的位置，在此位置释放弓头，受电弓应自然摆动，摆动的频率即为受电弓的横向固有频率装有最大设计弓头质量的受电弓及其绝缘子安装在受电弓振动试验台上，试验台产生正弦振动，其振动频率和振幅均可横向调整。当试验完成时，振动台的振动频率应比横向固有振荡频率低10%。当受电弓伸展到上部工作位置的75%时，振动台的振幅应调整到使弓头支承轴的振动加速度（Γ）为7m/s2。经过107次循环，受电弓的静态接触力和传动系统仍应符合技术要求

受电弓的横向刚度试验（型式试验）

受电弓升起到上部工作位置高度，当300N的力接连施加在支撑弓头的框架两侧时，每侧的位移不应超过30mm。每次试验后，受电弓不应产生永久变形。

受电弓的平均抬升力试验（综合试验）

落弓保持力试验（型式试验）一般要求受电弓落弓保持力在120N左右！工作高度静态抬升力测试落弓保持力测试测力计

受电弓的其他试验

ADD动作时间测试ADD关闭阀ADD试验阀ADD动作时间测试应在两个工作高度进行，1.受电弓最高工作高度；2.落弓位置以上工作范围的20%处。启动ADD试验阀，用电秒表记录降弓时间，每个工作高度应进行三次试验，每个工作高度的ADD动作时间都应低于1S的标准值。最高工作高度落弓高度采用电秒表分别记录三次升弓和降弓时间，受电弓应满足从落弓高度升至最高工作高度的上升时间不超过10S的要求。

受电弓的垂直振动试验（研究性试验）

将配有正常传动系统和与服役接触网相适应的受电弓安装在垂直方向能产生正弦振动的受电弓振动试验台上，振动台的刚度至少比弓头悬架的刚度高10倍。对受电弓施加振动，从0.5Hz到10Hz时，振动频率的最大增加幅度为0.02Hz/s；从10Hz到50Hz时，振动频率的最大增加幅度为0.1Hz/s。受电弓的静态接触力以及振动台输出的正

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