调试受电弓与认知避雷器

项目8　城市轨道交通车辆受电弓

【项目描述】

对采用架空接触网受电的城市轨道交通车辆而言,车顶设备主要包括受电弓、避雷器、空调通风装置等,本项目主要学习为城市轨道交通车辆动力系统引入电能的设备,即受电弓避雷器,对改善城轨车辆乘坐舒适度的空调设备,将在另一项目学习。

【学习目标】

通过本项目的学习要求掌握以下基本知识：

1.掌握城市轨道交通车辆受电弓的基本组成及工作原理。

2.掌握受电弓的调试方法。

3.了解城市轨道交通车辆主要供电与受流方式。

4.掌握避雷器等其他车顶设备的基本知识。

【技能目标】

1.能准确描述城市轨道交通车辆受电弓的结构、特点、原理、技术参数、功能作用。

2.能对城市轨道交通车辆的受电弓等车顶设备进行一般的日常检查和日常维护与保养工作。

任务1　受电弓的基本组成及工作原理认知

【活动场景】

在城市轨道交通车辆生产车间或检修现场教学,或具备能用多媒体展示城市轨道交通车辆受电弓、避雷器等车顶设备的组成、结构的教室或实训、实验室进行。

【任务要求】

1.掌握城市轨道交通车辆受电弓基础知识及工作原理。

2.掌握受电弓调试方法。

【知识准备】

受电弓是城市轨道交通车辆从接触网取得电能的电气设备,安装在带有受电弓的动车Mp车的车顶上。

目前,城轨车辆的受电弓主要有单臂弓(见图8.1)和双臂弓(见图8.2)两种,它们均由滑板、上框架、下臂杆(双臂弓用下框架)、底架、升弓弹簧、传动汽缸、支持绝缘子等部件组成。还有一种,如图8.3所示的菱形受电弓,由于维护成本较高以及容易在故障时拉断接触网而逐渐被淘汰,近年来多采用单臂弓。

受电弓的受流质量,即负荷电流通过接触网和受电弓滑板接触面的流畅程度,与滑板与接触网间的接触压力、过渡电阻、接触面积有关,取决于受电弓和接触网之间的相互作用。

图8.1　单臂气囊受电弓

图8.2　双臂受电弓

图8.3　菱形受电弓

避雷器安装在城轨车辆的车顶,受电弓附近,一方面是对接触网直流额定电压1500V (1000～1800V)起过电压保护作用；另一方面能有效防止来自车辆外部的过电压(如雷击等)和车辆内部的操作过电压对车辆电气设备绝缘的破坏。避雷器的保护值范围与变电所过电压保护相协调。避雷器符合JISE5003标准和测试要求。

【任务实施】

下面分别以西安地铁2号线单臂气囊式受电弓和广州地铁单臂弹簧式受电弓为实例,进行本任务的实施。

(1)西安地铁2号线单臂气囊式受电弓

西安地铁2号线选用的是上海天海公司生产的QG-120(B-XAL2)型受电弓,主要特点如下：

①结构简单、性能安全可靠、维护简单、日常维护工作量小。

②在整个车辆速度范围内具有良好的空气动力学特性。

③可满足地铁车辆在地面、高架和隧道内线路运行的车辆的使用要求。

④能适应风、沙、雨、雪、冰雹等恶劣天气及空气内含有大量水气的环境。

⑤具有防霉、防灰尘的功能,不受洗车清洁剂的影响。

⑥能经受虫蛀,特别是啮齿类动物的侵害。

1)QG-120(B-XAL2)型单臂气囊式受电弓技术参数

2)QG-120(B-XAL2)型单臂气囊式基本组成

如图8.4所示为单臂气囊式受电弓的结构图和零件名称。基本组成如下：

①底架。为了增大强度,底架采用无缝矩形管材料焊接而成。

②上、下臂杆。上臂杆采用高强度的铝合金材料,受流性能明显增强,且质量减轻,同时不会影响强度；下臂杆采用了无缝钢管经机械加工后焊接而成,采用转动轴承技术,使受电弓的转动更加灵活。

③气囊。受电弓的升弓动力来源于气囊,当车内压缩空气进入气囊后,气囊向水平方向移动,安装在气囊前推板上的钢丝绳推动下臂杆旋转,使受电弓升起。

④液压阻尼器。受电弓的缓冲是通过安装在下臂杆和上臂杆上的液压阻尼器来实现的,通过安装液压阻尼器使弓头的碳滑条有很好的随网性。

⑤拉杆。拉杆是由无缝不锈钢管和重型自润滑的关节轴承组合而成。当拉杆绕底架的回转中心转动时,受电弓弓头的位置被改变。

⑥平衡杆。平衡杆是使受电弓弓头在整个工作高度范围内(包括升到最大高度)保持水平,在车辆运动过程中通过缓冲调整装置消除外力对弓头在运动过程中的干扰。

⑦受电弓气源控制箱。受电弓气源控制箱主要由：控制箱体、过滤器、精密调压阀、节流阀和快排气阀等组成。安装在气源控制箱体内的精密调压阀可以调节受电弓静态压力。精密调压阀具有很高的灵敏度,可在0.01～1.0MPa内对压力进行调节,受电弓气源控制箱被安装在受电弓底架上。

⑧软连线。为了避免电流直接通过受电弓转动部位,在受电弓的每个转动部位都加装了一定数量的软连线,使电流由软连线流过对转动部位起到保护作用。

⑨弓头总装。弓头采用两根滑板条,同时横托架内设有减振弹簧,受电弓在工作时可有效地保护滑板条。

图8.4　受电弓零部件

1-底架；2-绝缘子；3-气源控制箱；4-拉杆；5-下臂杆；6-软连线；7-液压阻尼器； 8-平衡杆；9-上臂杆；10-调整钢丝；11-弓头；12-电气控制箱；13-气囊；14-钢丝绳

3)QG-120(B-XAL2)型单臂气囊式受电弓的工作原理

①升弓过程。启动空气压缩机,当气压达到受电弓的额定工作气压时,激活电客车；按下升弓按钮,压缩空气经车内电磁阀、受电弓控制箱进入空气弹簧；空气弹簧膨胀推动钢丝绳带动下臂杆运动,下臂杆在拉杆的协助下托起上臂杆及弓头,弓头在平衡杆的作用下,在工作高度范围内始终保持水平状态,并按规定的时间平稳的升至网线高度,完成升弓过程。整个升弓过程要求受电弓的运动平稳,不对架空接触网线产生有害的冲击。

②降弓。在电客车激活端按下降弓按钮,控制箱释放空气弹簧中的压缩空气,受电弓在重力作用和阻尼器的辅助作用下平稳地落到底架上的橡胶止挡上,完成整个降弓动作。整个降弓过程在规定的时间内完成,并且受电弓的运动平稳对底架和车顶无有害冲击。

③车辆受电弓控制电路。如图8.5所示的电气原理图,受电弓控制：在Mp车上,列车线2803a得电-升弓继电器2KA03得电,其常开触点闭合,升弓电磁阀得电,受电弓开始执行。

升弓操作中车辆蓄电池DC110V电源3110-受电弓断路器PANN(合)-2801得电-受电弓升弓按钮PANU(合)-2802-升弓继电器2KA02得电-其常开触点闭合,通过降弓继电器2KA01常闭触点一起形成自保电路,将升弓按钮旁路；2802线经通过降弓继电器2KA01常闭触点-2803线-2803a-2KA01常闭触点-2803b-2KA01常闭触点-升弓继电器2KA02得电-其常开触点闭合。

降弓操作：在任意一个车上操作降弓按钮PAND-降弓继电器2KA01得电-其常闭触点断开所有升弓回路,升弓继电器失电,其常闭触点与2KA01常开触点组成自保电路。

安全措施：投入时车间电源,通过车间电源转换开关使继电器2KA01长带电,保证受电弓无法升起。

图8.5　受电弓控制原理图

(2)广州地铁单臂式弹簧受电弓

如图8.6所示为广州地铁安装于B车车顶的单臂弹簧式受电弓。这种受电弓主要由底架、构架、弓头、拉伸装置及下部装置等组成。受电弓的控制是通过电磁阀进行控制,正常情况下可通过压缩空气升起受电弓,如果压缩空气的压力不够,受电弓会在弹簧拉力的作用下回到降弓位置,这里可通过安装在B车2位端电气柜中的脚踏泵使受电弓在人工的控制下升起。下面对此种受电弓的主要部件进行介绍。

①底架。如图8.7所示,底架安装在车顶,由方形中空管、角钢等焊接而成,是下臂的支撑装置,包括轴承、下导杆轴承滑轮、拉伸弹簧悬挂及气压升弓传动装置等。

图8.6　受电弓组成

1-底架；2-高度止挡；3-绝缘子；4-构架；5-下臂；6-下导杆；7-上臂；8-上导杆；9-弓头； 10-接触滑板；11-端角；12-升降装置；13-电流传输装置；14-锁钩；15-最低位置指示器

图8.7　底架

②高度止挡。如图8.8所示,高度止挡安装在受电弓两侧下导杆的侧下方,用两个螺钉限制受电弓升起的最大高度,并使受电弓在垂向不会产生任何位移。

③构架。如图8.9所示,构架是安装受电弓弓头的零部件,可使弓头在相关平面作垂向运动,保证使碳滑板与接触网有良好的接触,由中心连接、下导杆、上导杆、下臂等组成。接触网的高度变化由受电弓构架进行均衡,构架就一个多边形连接。

④上、下臂和上、下导杆部件。如图8.10所示是受电弓的上臂,上臂是由焊接铝组成的封闭框架结构,由拉伸型管、环形的上臂十字管和上臂连接组成,主要作用是支撑下臂的旋转头和下导杆。下臂由一个焊接钢管构成,包括中心连接支撑的所有部分,支撑点由密封的重型旋转头组成。上导向杆引导弓头,它由铝管制成,下导杆引导多边形接点,由精密钢管组成。

图8.8　高度止挡

图8.9　构架零件

1-中心连接；2-下导杆；3-上导杆；4-下臂

图8.10　上臂

⑤弓头和接触滑板。如图8.11所示是受电弓的弓头,由触滑板、上导杆、端角3部分组成,是直接与上部接触网相接触的部件。弓头的质量与受电弓框架相比应尽可能减小,接触滑板安装在簧片上,弓头安装在上臂的上部。弓头通过上部导向杆导向。

接触滑板从上部接触网受电的部件,是弓头的一部分(见图8.12),接触滑板由碳滑板和接触滑板固定器组成。

图8.11　弓头

1-触滑板；2-上导杆；3-端角

图8.12　接触滑板

⑥升降装置。如图8.13所示为带有拉伸弹簧的气压升弓传动装置,它控制受电弓框架接触滑板与上部接触网接触的范围,提升力由拉伸弹簧产生,下降力由气压升弓传动装置产生。为提升受电弓并在碳触条和上部接触网间产生接触力,在底架和下臂主轴间安装有拉伸弹簧,图中零件1即是拉伸弹簧,它由螺旋状的钢弹簧组成,弹簧力使滚子链在下臂上产生一力矩,滚子链沿凸轮槽导向,且与下臂的主轴相链接,凸轮槽的形状改变了控制杆的有效长度,这样在整个工作范围内接触压力基本相同。受电弓的气压升弓传动装置由弹簧式蓄能器缸、活塞、带有控制杆的活塞杆、带阀的风管组成,气压升弓传动装置的作用是需要时将受电弓从最低位置提升到上部接触网,它通过允许压缩空气进入弹簧式蓄能器缸来完成。压缩空气使活塞在弹簧式蓄能器中移动,受电弓的主要拉伸弹簧松开,使受电弓升高。

如图8.14所示为脚踏泵,在紧急情况下由脚踏泵产生压缩空气升弓。

图8.13　带有拉伸弹簧的气压升弓传动装置1-拉伸弹簧；2-气压升弓传动装置

图8.14　脚踏泵

⑦锁钩和最低位置指示器。锁钩的作用是在受电弓最低位时将其锁紧(见图8.15),特别是在进行维修时用处更大,维修前必须将弓头固定在底架上,这样在受电弓上工作时受电弓不会动作。最低位置指示器固定在底架上。如图8.16所示为最低位置指示器。当受电弓降到最低位置时,它向车辆发送一个电子信号,表示受电弓已降落。

图8.15　维修时用于固定受电弓的锁钩

图8.16　最低位置指示器

【效果评价】

评价表

任务2　调试受电弓与认知避雷器

【活动场景】

在城市轨道交通车辆检修车间对受电弓进行调试与日检,有针对性地进行相关部件检查、调试,是受电弓符合运营要求。

【任务要求】

1.掌握城市轨道交通车辆受电弓调试方法。

2.掌握城市轨道交通车辆受电弓调试的要点。

3.掌握城市轨道交通车辆受电弓气源控制箱各部分名称及作用。

4.掌握避雷器的基本知识与检修方法。

【知识准备】

(1)受电弓的调试

受电弓在使用前和运营管理中均要进行调试和试验。

①拉杆的调整。调整受电弓静止时拉杆的长度；用扳手卡住拉杆上的四方即可调整拉杆尺寸；调整结束后锁紧拉杆两端关节轴承上的紧固螺母。

②静态接触压力的调整。受电弓组装完后或弓头碳滑条更换后需要对受电弓的静态压力进行调整。静态接触压力在受电弓专用试验台上进行,如果车顶作业时则使用弹簧秤进行测量。如果测量所得的标准静态压力不小于(120±10)N的数值,如果不在额定值则要顺正时针或逆时针方向旋转精密减压阀的手轮,使空气压力增大或减少至测量的标准静态压力。

【注意】调整结束后请将精密减压阀手轮上的螺母锁紧,以防止在车辆运行过程中精密减压阀的压力发生变化后影响受电弓的标准静态接触压力值。

③弓头碳滑条的调整。调整平衡杆,使受电弓弓头在整个工作高度范围内保持水平,使受电弓弓头沿弓头转轴方向有一定的自由度,使受电弓弓头各碳滑条的顶面用水平仪调整到同一平面上,防止碳滑条磨耗不均匀造成浪费。

④升降弓时间的调整。调整如图8.17所示的节流阀3,可对升弓时间进行调整；节流阀9可对降弓时间进行调整。受电弓弓头从离开止挡开始动作到最高工作位置的时间不大于8s,且对接触网线没有有害冲击；受电弓从最高工作位置下降到静止位置的时间不大于8s,且对车顶无有害冲击。阀单元示意图如图8.18所示。

【注意】调整结束后将节流阀3和节流阀9的紧固螺母锁紧；调整时可用计数秒表验证调整时间。

⑤受电弓气密性的检查。对组装和维修好的受电弓要进行气密性检查,受电弓的整个系统管路应满足以下要求：将受电弓与容积为1L的储汽缸相连,充入额定压力后关闭气源,经保压10min,储汽缸内压力下降不超过初始充入压力的5%。

图8.17　控制阀板气路简图

1-电磁阀；2-空气过滤器；3,9-节流阀；4-精密减压阀；5-三通座；6-安全阀； 7-压力表；8-球阀；10-换向阀；11-消音器；12-消音节流阀

(2)避雷器

如图8.19所示为避雷器在车顶的安装位置。安装时要求避雷器能经受住风、雨、雾、冰、霜、沙尘以及空气中酸雨、臭氧、硫化物、二氧化硫等化学物质的侵蚀；能防止虫蛀、啮齿类动物的侵害；能防止霉变以及不受洗车清洁剂的影响。如图8.20所示为避雷器的外形结构图。避雷器是城轨车辆一个非常重要的保护设备,安装在受电弓附近,对城轨车辆直流供电电网的过电压起保护作用,能防止来自车辆外部的过电压(如雷击等)和车辆内部的操作过电压对车辆电气设备绝缘的破坏。

图8.18　阀单元示意图

【任务实施】

本任务的实施主要包括两个方面的内容：一是以西安地铁2号线受电弓运用状态维护为例,对西安地铁2号线的QG-120(B-XAL2)正常使用时的调试内容进行分析；二是分析西安地铁2号线车辆避雷器的基本参数。

图8.19　避雷器的安装位置

(1)西安地铁2号线受电弓日常调试

①弓头碳滑条。如图8.21所示,受电弓的日常检修中目测检查弓头碳滑条时,应观察碳滑条是否损坏或者磨耗到线。预计碳滑条的使用寿命,弓头各个碳条之间是否存在磨耗不均匀现象,如果存在应对碳滑条做平行调整,使各个碳滑条与网线接触的平面基本水平,保证每根碳滑条都能与网线很好的接触。如果碳滑条磨损到5mm,要及时更换碳滑条。如果弓头碳滑条更换,应同时将弓头所有的碳滑条全部予以更换。新碳滑条更换后应检查受电弓的静态压力,根据需要进行调整。

图8.20　外形尺寸及主要参数

图8.21　碳滑条磨耗限度

②轴承。每次检查和更换滚动轴承时,应使用ShellAlvaniaRL3润滑脂进行润滑。如果轴承转动不灵活,出现卡滞现象,检查出现卡滞现象的原因,损坏的轴承应予以更换,出现油污的轴承应用清洗剂清洗后安装。所有的滚动轴承和拉杆的关节轴承每60个月润滑一次。

③液压阻尼器。将液压阻尼器拆下,进行压缩和拉升试验,检查有无卡滞现象和漏油现象,如果需要请更换。

④绝缘子、绝缘气管。对车顶和受电弓连接的绝缘子和绝缘气管进行清洁处理,使绝缘子和绝缘气管保持干净。

⑤受电弓气源控制箱。在每次全面检查时,应对气源控制箱的安全阀进行调整；检查精密减压阀的压力是否在额定值,如果需要应进行调整；升弓和降弓时间有所变化,应对控制箱中的各节流阀进行调整；每年应对安全阀进行试验,确保安全阀的可靠性。

⑥弓网故障后的维修和检测。当发生弓网故障,造成受电弓碳滑条、弓头、上框架等零部件变形或损坏,应将受电弓从车顶拆下,进行全面检修或更换零部件,检修完成后在专用试验台上对受电弓进行例行试验(包括动作试验、弓头自由度测量、气密性试验、静态压力特性试验),试验合格后方可装车交付使用。

(2)西安地铁2号线车辆避雷器的基本技术参数分析

西安地铁2号线车辆避雷器的基本技术参数如下：

【知识扩展】

城市轨道交通车辆主要供电制式与受流方式

城轨车辆的供电制式是直流供电,主要有DC600V,DC750V,DC1500V这3种,我国国家标准《地铁直流供电系统》中规定我国地铁车辆采用DC750V(波动范围为500～900V)和DC1500V(波动范围为1000～1800V)两种。目前世界上地铁发展较早的城市大都采用直流750V,个别有采用600V的。通常城市轨道交通车辆在电网电压为1500V时多采用架空接触网形式,由安装在车辆顶部的受电弓集电。当电网电压为750V及以下时,较多有第三轨受电。例如,北京地铁、天津轻轨,均采用DC750V电压,第三轨受电方式；如,西安、广州、深圳、上海地铁大部分采用DC1500V电压,受电弓受流方式。直流1500V与750V比较有以下优点：可提高牵引电网供电质量,降低迷流数值,增加牵引供电距离,从而可减少牵引变电所数量；便于地铁线路实现地下、地面和高架的连接。

供电方式有接触网供电和接触轨供电两种形式。接触网供电是指通过轨道线路上空架设的特殊输电线向行走在线路上的电动列车不间断的供应电能,电动列车利用顶部的受电弓与接触网滑动摩擦而获得电能。接触轨供电是指在列车行走的两条路轨以外,再加上带电的钢轨(一般使用钢铝复合轨)。带电钢轨设于两轨之间或其中一轨的外侧。列车受流器(集电装置也称集电靴或取流靴)在带电轨上接触滑行取流。电动列车的受流方式根据供电方式的不同接触网受流和第三轨受流。受流装置按其受流方式可分为以下5种形式：

①杆形受流器(见图8.22)。外形为两根平行杆,上部有两个受电轨(导线),广泛用于城市无轨电车。

②弓形受流器(见图8.23)。形状如　,属上部受流,弓可升可降,其接触有一根导线,下面有导轨构成电路,用于城市有轨电车。

图8.22　杆形受流器

图8.23　弓形受流器

③侧面受流器(见图8.24)。在车顶的侧面受流,又称为“旁弓”,多用于矿山的电力机车上。

④轨道式受流器(见图8.25)。从底部导电轨受流,又称第3轨受流,空间可得到充分利用,多用于速度较高的隧道列车运行。北京地铁及目前欧美大部分地铁均采用这种受流方式。

⑤受电弓受流器(见图8.26)。属上部受流,形状如　,弓可升可降,适用于列车速度较高的干线电力机车上。西安、上海、广州等地铁亦采用这种方式。

图8.24　侧面受流器

图8.25　轨道式受流器

图8.26　受电弓受流

【效果评价】

评价表

项目小结

城市轨道交通车辆(简称城轨车辆)车顶设备主要包括受电弓、避雷器,为城市轨道交通车辆动力系统引入电流,改善列车乘坐舒适度。

本项目重点讲解了车顶受流装置受电弓的基本组成、工作原理及调试。受电弓是电客车或电力牵引机车从接触网取得电能的电气设备,安装在机车或动车(Mp)车顶上,与有关受电弓滑板和接触网间的接触压力、过渡电阻、接触面积决定了受流质量。受电弓可分为单臂弓和双臂弓两种,均由滑板、上框架、下臂杆(双臂弓用下框架)、底架、升弓弹簧、传动汽缸、支持绝缘子等部件组成。菱形受电弓,也称钻石受电弓,以前非常普遍,后由于维护成本较高以及容易在故障时拉断接触网而逐渐被淘汰,近年来多采用单臂弓,单臂受电弓包括单臂气囊受电弓和单臂弹簧受电弓。

思考与练习

1.受电弓的基本形式有几种,分别是什么?

2.受电弓的作用有哪些?

3.单臂气囊受电弓的工作原理是什么?

4.避雷器的主要作用是什么?