成都地铁27号线电客车新型短臂式受电弓浅析

成都地铁27号线电客车新型短臂式受电弓浅析

周宇1，万宇2，杨东3，李桥4

(1、2、3.成都地铁运营公司，四川， 610511；

4.成都永贵东洋轨道交通装备有限公司，四川 610511）

摘  要本文通过介绍成都地铁27号线电客车使用的新型短臂式受电弓基本结构、功能以及工作原理，简析了新型短臂式受电弓在城市轨道交通中的应用优势。

关键词城市轨道交通   短臂受电弓   气缸弹簧式

1  引言

受电弓作为城市轨道交通车辆的关键部件之一，从接触网获取电能供车辆运行。目前国内常见的受电弓，上下臂长，占用车顶空间大，最大工作高度高于落弓高度以上2 m，而城市轨道交通的实际运营需求远低于该高度。因此本文提出一款新型的短臂受电弓，最大工作高度为落弓高度以上1.6 m，在满足运营需求的基础上，可明显减小车顶占用空间，同时提高受电弓性能。

2  受电弓简介

本文主要介绍YT7102气缸弹簧式短臂受电弓，无论整体结构还是驱动装置均突破传统，特殊的结构设计保证了受电弓在刚性、柔性接触网受流的可靠、稳定。该受电弓采用小型化设计，落弓状态占用空间前后总长约1880 mm，相比国内其他受电弓，同比减少约20%。

同时以标准地铁的接口需求为基础，进行匹配设计，并做了多项优化提升。

YT7102气缸弹簧式短臂受电弓，整体结构如下图，主要由弓头、弓头支撑、上下臂框架、主弹簧、动作气缸、气源箱、升降弓检测装置及底座等组成。主弹簧及动作气缸分别给下臂提供拉力和推力，两者配合控制下臂旋转，实现升降弓动作。

图1  受电弓整体结构

2.1 弓头及弓头支撑

弓头位于受电弓框架的顶端，直接与接触网接触，是受流的主要部件。弓头主要由碳滑板、辅助滑板、铜板、弓头支架等组成，弓头支架采用轻量铝合金结构。

弓头支撑作为弓头与上臂的连接部件，主要由羊角、波纹管气囊弹簧、连接架、天平、天井管等组成。其中天井管为弓头的转轴，弓头支撑与弓头、上臂、平衡杆的连接处，均有绝缘处理。

图2  弓头及支撑

弓头采用了独特的三元结构设计理念，有滑板、连接架、天平三个单元，由两级弹簧分别连接。相比常规的二元结构，具有更大的弓头自由度，更优的减震稳定性，可进一步提高随网性、减小离线率。

图3  三元结构

将三个单元连接的两级弹簧分别为波纹管气囊弹簧（一级）与天平弹簧（二级），两者在工作过程中的作用体现如下。

2.1.1波纹管气囊弹簧的作用

1）由气囊包裹刚性弹簧组成，下方有一限流孔，限制气囊的排气、进气速度，由此实现整体弹簧刚度的可变性。

2）在弓头受到下压冲击力时，排气受限导致整体弹簧刚度增大，从而弓头振动幅度更小，减弱冲击对弓头的影响。

3）在冲击后的回升过程中，进气受限导致整体弹簧刚度减小，从而弓头回升的反作用力更小，减弱对接触网的影响。

图4  波纹管气囊弹簧

2.1.2天平弹簧的作用

1）天平弹簧以四个点支撑连接架，实现弓头整体的前后更大范围转动，提高弓头自由度。

2）天平弹簧进一步扩大了弓头的活动行程，在接触网波动剧烈时，可更好地减小离线时间，抑制离线的发生。

由此，在运行过程中，通过波纹管气囊弹簧和天平弹簧的配合，可有效减小离线率，提高随网性。该型受电弓静态接触压力突破气囊弓传统的120 N接触压力设计，能在DC 1500V网压，80 N静态接触压力下在刚、柔接触网上稳定受流，弓网关系各项动态性能指标良好。

2.2 上臂

上臂采用不锈钢管构成“T”型结构，具有优良的强度、韧性以及焊接性能，用于支撑弓头和弓头支撑，上臂采用不锈钢结构，无需喷漆防护。

上臂结构长度1240 mm，相比国内其他常见受电弓，同比减少约25%。

图5  上臂

2.3 下臂

下臂作为主要的承力部件，采用不锈钢管及碳钢管构成“T”型结构，不锈钢部分无需喷漆防护。下臂一端固定于底架轴承，另一端通过轴承与上臂相连。下臂可在主弹簧拉力的带动下，绕主轴承中心转动上升，或在气缸推动下转动下降。

下臂结构长度1030 mm，相比国内其他常见受电弓，同比减少约25%。

图6  下臂

2.4 主弹簧

主弹簧是升弓力的来源，其一侧安装在底架的弹簧座上，另一侧通过链条安装在下臂主轴的凸轮上。

主弹簧在升、降弓过程中一直处于拉伸状态，主要作用是为受电弓提供稳定可靠的升弓动力、接触力。升降弓过程，主弹簧的拉伸量随之变化，但下臂凸轮引导着链条距轴承中心的远近变化，以此保证在整个工作高度范围内，接触力基本稳定一致。通过调整主弹簧预拉伸量来实现接触力的调整。

图7  主弹簧

2.5 动作气缸

动作气缸内部装有压簧，右侧腔体连接管路。无供气时，活塞杆处于伸出状态，推动下臂旋转，使受电弓趋于降弓。供气时，活塞杆处于回缩状态，压头与滚轮脱离，对下臂无作用力。由主弹簧拉动下臂旋转，使受电弓趋于升弓。

活塞杆上安装有盖板，以免滑板磨损粉等直接附着在活塞杆上。

图8  动作气缸结构

2.6 锁钩

气动锁钩安装于底座，处于弓头正下方，锁钩勾住弓头中间的天井管，保证受电弓处于落弓状态。无气状态下，锁钩弹簧的拉力保持锁钩常闭。

升弓动作：在降弓状态下，锁钩钩住弓头中间的天井管。当司机发出升弓指令时，对锁钩气缸供气，活塞推动锁钩旋转打开，天井管脱离锁钩，实现受电弓升弓动作；

降弓动作：当司机发出降弓指令时，停止供气，弓头下降到落弓高度，天井管到达锁钩范围内，锁钩气缸的活塞推力消失，在锁钩弹簧的拉力下，锁钩被拉回锁闭状态。

日常登顶检查维护时，可手动拨动锁钩，进行抬升弓头等维保操作。

图9  气动锁钩

2.7 气源箱

气源箱主要有过滤器、调压阀、安全阀，压缩空气经过气源箱处理后再供给受电弓。箱体设置有可视窗口，方便在不开锁的条件下，便捷地查看压力表及内部其他情况，易于维保。

图10  气源箱

2.8 升降弓检测装置

升降弓检测分别由电感式接近开关和压力开关实现，整个装置与受电弓之间有绝缘处理。

电感式接近开关安装于底架上，通过弓头支撑感应片的远离和接近来实现降弓状态的检测。当受电弓处于降弓状态时，接近开关闭合输出降弓到位电信号。

压力开关设置于电气箱内，当受电弓处于升弓状态时，气压超过设定值，压力开关切换输出升弓状态电信号。

图11  升降弓检测装置

3  受电弓动作原理

3.1 降弓原理

图12  降弓原理图

切断供向受电弓的压缩空气，受电弓气路内的气体排出。此时动作气缸内的弹簧伸长推动活塞杆，由于其压动下臂的力矩及自重作用之和大于主弹簧的拉力矩，动作气缸推力处于主导位置，使得下臂旋转降低，弓头下降，直到平稳落在底架的橡胶止挡上。同时锁钩也复位闭合，锁定了降弓状态。

3.2 升弓原理

图13  升弓原理图

高压空气供向受电弓锁钩气缸及动作气缸，使锁钩打开，同时动作气缸活塞杆回缩，气缸内弹簧被压缩。主弹簧拉力处于主导位置，拉动下臂沿主轴反向旋转，带动弓头升起，最终以设定的接触压力与接触线平稳接触。

3.3 应急升弓

在车辆无电无气的极限状况下，将车辆侧气路切换至应急升弓接口，连接脚踏泵。对于车辆所通用的脚踏泵，踩踏20～25次即可实现完全升弓，踩踏次数少，省时省力。

4  受电弓控制原理

4.1 气路控制

图14  控制原理图

车辆气源经过气源箱调节处理后，通过升弓气路供向车顶受电弓。车辆控制气源的通断来控制受电弓升降弓动作，通气升弓、排气降弓。

当司机室发出升弓指令后，车辆升弓电磁阀动作，气源导通。压缩空气经过气源箱中的减压阀被调整至450 kPa导向受电弓内部气路，驱动解锁气缸以及动作气缸，实现升弓。

当司机室发出降弓指令后，车辆升弓电磁阀切换，供向受电弓的压缩空气被切断，受电弓气路内的气体排出。动作气缸及解锁气缸复位，实现降弓。

动作气缸旁边设有两个节流阀来调整进气排气速度，可实现升弓降弓速度的调整。调整的同时可直观查看升降弓速度，操作简便。

4.2 升降弓状态信号检测

如图14，升弓后，气压超过电气箱内的压力开关设定值，压力开关切换输出升弓状态电信号。滑板与接触网接触，接触网网压稳定表明升弓到位。

降弓后，设置于弓头支撑的感应片进入接近开关（电感应器）的检测范围，接近开关闭合，反馈给车辆降弓到位的电信号。

4.3 ADD故障信号检测

ADD装置以快速排气阀为基础设计，快速排气阀上侧即为检测气路，当检测气路泄露时（如碳滑板磨耗超限、碳滑板断裂），快速排气阀膜片开启，受电弓气路排气，无需外部指令而自动降弓，保护接触网及受电弓。

ADD动作触发后，压力开关因气路气压降低而切换，车辆同时识别司机室的指令为升弓指令，则整体输出ADD故障电信号。

5  受电弓特点对比

受电弓从升弓力的提供来源可分为弹簧式受电弓、气囊式受电弓，两者在实际运用过程中各有特点。成都27号线受电弓为新型气缸弹簧式受电弓，现将其与常见气囊式弓对比如下。

表1 受电弓种类对比

6  结束语

基于该款新型短臂受电弓的独特结构，总结优势如下：

（1）结合了气囊弓应急降弓和弹簧弓碳滑板低磨耗的双重优点，增加了设备可用性，减少了检修成本。

（2）受电弓体型小巧，占用车顶空间减小约20%，上下臂长度减少约25%。小型化的设计可有效改善弓网配合关系。

（3）独特的三元弓头设计，具有更好的随网性及更大的弓头自由度，有效缓解接触网带来的波动，带来更小的离线率。

（4）在刚性网、柔性网运行的弓网标称接触力仅需80N，低于国内目前常见的受电弓。

（5）接触力由主弹簧提供，稳定可靠，不受气压及外界环境影响，特别适用多隧道、环境多变的线路，且具有极强容错能力。

（6）上下臂为单根式不锈钢结构，具有更简洁的外观，疲劳强度性能优异，且不喷漆免维护。

（7）非金属零部件少，更换件少，全寿命周期成本低。

参考文献：

[1] GB/T 21561.2-2018 轨道交通 机车车辆受电弓特性和试验 第2部分：地铁和轻轨车辆受电弓；

[2]TB/T 3271-2011 轨道交通 受流系统 受电弓与接触网相互作用准则;