城市轨道-城轨车辆受电弓的常见故障和应急处理

PAGEPAGEII城轨车辆受电弓的常见故障和应急处理摘要受电弓是高速动车组的关键子系统。受电弓的安全性和稳定性对动车组的运行起着决定性的作用。从铁路提速的发展趋势到受电弓设计结构对铁路提速的影响，受电弓高速运行中的集电问题一直是实现提速的关键之一。本文从受电弓的故障入手，外部环境故障、共同作用故障等三个方面对受电弓的基本故障进行分析处理，并从受电弓的故障对策和受电弓的检修指导两个方面对受电弓的维护保养做出了一些预防措施，为更安全更有效实现铁路提速做出一些见解，希望对城轨车辆受电弓的故障处理提供一定的借鉴作用。关键词：城轨车辆；受电弓；故障CommonFaultsandEmergencyTreatmentofPantographsforUrbanRailVehiclesabstractPantographisakeysubsystemofhigh-speedEMU.ThesafetyandstabilityofpantographplayadecisiveroleintheoperationofEMU.Fromthedevelopmenttrendofrailwayspeed-uptotheinfluenceofpantographdesignstructureonrailwayspeed-up,thecurrentcollectionproblemofpantographinhigh-speedoperationhasalwaysbeenoneofthekeystorealizespeed-up.Thispaperstartsfromthefailureofpantographitself.Externalenvironmentalfailure;Thispaperanalyzesanddealswiththebasicfaultsofthepantographfromthethreeaspectsofcommonactionfaults,andmakessomepreventivemeasuresforthemaintenanceofthepantographfromtwoaspectsofthefaultcountermeasuresofthepantographandthemaintenanceguidanceofthepantograph,soastomakesomeopinionsforrealizingtherailwayspeedincreasemoresafelyandeffectively,andhopestoprovidesomereferenceforthefaulttreatmentofthepantographofurbanrailvehicles.Keywords:urbanrailvehicles;Pantograph;fault目录一、前言 1（一）研究背景 1（二）研究意义 1（三）国内外研究现状 1二、受电弓概述 3（一）受电弓在高铁上运用基本过程 3（二）受电弓基本结构及主要部件 4（三）受电弓动作原理 4三、城轨车辆受电弓的常见故障分析 5（一）受电弓自身故障 6（二）外部环境故障 7（三）共同作用故障 7四、城轨车辆受电弓的故障对策及检修指导 7（一）受电弓故障对策 71、库内检修故障对策 82、线路运行故障对策 8（二）受电弓检修指导 91、受电弓性能检查 92、受电弓外观检查 103、受电弓表面清洁 11参考文献 11致谢 13PAGE14一、前言（一）研究背景我国在交直流控制技术方面取得了令人瞩目的成就，城轨车辆安全可靠的运营和我们过去的技术成就分不开，但任何设备因使用环境及使用时间等外界条件的影响都可能产生一些故障，这些设备故障成为阻碍安全生产的不确定因素。且城轨车辆的设备故障在机车静止的状态是很难被检测的，故障往往在机车运行中出现，如果只依赖少数技术人员的感觉或经验来检测故障是不可能满足目前机车高运转的工作状态的，科学高效地完成城轨车辆电气系统的故障诊断已变成保证机车安全运行、减少机破事故发生的一个关键课题。因此，机车故障诊断系统的研究具有及其的重要意义。（二）研究意义城轨车辆故障诊断系统主要包括两方面的内容：一是对城轨车辆在运行状态的特征和参数进行及时的提取、检测，二是当电气系统发生故障对故障现象进行及时的分析得出诊断结果。这种实施安全监控的系统主要是利用车载设备和地面设备采集到的实时运行的参数对列车运行进行实时跟踪检测，运用列车故障诊断系统来分析、查找判断故障的处使运行中的排障能可靠高效的完成。目前随着这些技术的不断成熟为故障诊断技术的发展提供了新的发展方向，全局化、网络化及在线诊断技术代表这目前这一时期的最先进的铁路技术。解决这一难题唯一的方法是开放的选择诊断方法，兼容并包，不能单一地依靠一种方法诊断目前己认知的故障类型。从目前各国诊断技术的应用来看，城轨车辆故障诊断技术已经走向了检测诊断一体化、在线与离线结合诊断、并结合智能诊断技术等。（三）国内外研究现状菱形受电弓用于日本新干线0至300系列。受电弓稳定性高，集流性好，但结构复杂，气动性能差。为了进一步降低气动噪音，日本经过10年的研究，成功研制出单臂受电弓TPS301，并应用于700系批量车的生成。经过风洞实验及运行测试，该型单臂受电弓集电性能和气动性能良好，且具有成本低、质量小、维修方便等优点。与菱形受电弓相比较，其空气动力学性能得到了很大的提升，其中气动噪音下降了14dB。此外，日本还有T型受电弓，结构简单，空气动力学性能好。然而，由于它们的工作高度低，它们的应用范围受到限制，并且它们仅用于低悬链线高度的一些线路。日本由于地形气候等因素，其高速铁路接触网系统一直采用复式悬挂，如图1．3所示为日本东海道接触网。这种接触网具有受流性能稳定、弹性均匀系数好、接触线垂度小、风稳定性好等优点。但同时也存在结构复杂、成本高、施工维护不便等缺点。当运行速度较低且为300km/h时，选择简单链式悬挂链更合适。因此复式接触网仅在日本得到广泛应用。德国高速铁路ICE型列车最早采用的受电弓为SBS65型，之后由STEMMNN公司研制成功并推出DSA350S型号受电弓。1988年5月1日，该型受电弓搭载ICEN试验车创造了当时的世界最高试验速406．9km／h。法国东南新干线采用AMDE双层子母型受电弓，该型受电弓于1981年2月26日，创造了当时380km／h的世界记录。该型受电弓弓头采用碳材料，其静态接触压力为70N．80N。为了适应更高速度的要求，Faiveley公司研制成功CX型受电弓。该型受电弓大量采用了合成纤维，从而使得弓头重量减轻了30％--40％，并于2007创造了574．8km／h的世界记录。我国接触网系统发展主要包括以下几个阶段。第一个阶段为上个世纪50年代末的前苏联技术阶段，主要为交流、工频、单相、25kV供电制式。第二阶段是上世纪80年代初，主要采用日本技术，包括自动电话供电方式、整体吊弦、刚性跨度等，如中国的京秦线接触网。第三个阶段为上个世纪90年代初的法国技术，采用简单链型悬挂、模锻件、无交叉线岔等，如广深线和京郑线。第四个阶段为上个世纪90年代末期的德国技术，采用弹性链型悬挂、非绝缘软横跨等，如我国的秦沈线和哈大线。对于受电弓则经历了以下几个发展阶段。第一个阶段为发展初期的SS型城轨车辆所使用的受电弓，主要包括：TSGl、TSG3、LV．2600III等受电弓。其中TSGl主要应用于SSl、SS3和早期SS4、SS4G等型号的城轨车辆上；TSG3主要应用于SS7和SS8型城轨车辆上；LV．2600III主要应用于SS7型城轨车辆上。第二个阶段，株洲城轨车辆有限公司通过从西门子公司引进TSGl4、TSGl5和TSGl8型受电弓而实现国产化。其中TSGl4为地铁受电弓主要应用于广州地铁3号线；TSGl5应用于大功率交流传动机车上。第三个阶段为中车大同机车有限公司从德国的STEMMNN公司引进了DSAl50、DSA200和DSA250三种受电弓，并发展成为CRHl、CRH2和CIm5三种动车组的受电弓。第四个阶段为300km／h的受电弓的逐步应用。株洲城轨车辆有限公司从德国西门子公司进口TSGl9受电弓，消化吸收，为CRH3电动车组开发高速受电弓SS400+。该型受电弓于京津城际铁路创造了394．3km／h的试验速度。第五个阶段是随着武广线的开通，350km／h速度的受电弓投入使用，主要包括TSGl9（SSS400+）、DSA380和CX型受电弓。二、受电弓概述（一）受电弓在高铁上运用基本过程随着我国高速铁路的不断发展，受电弓的理解值得重视。它已经从蒸汽机车发展到内燃机车，城市轨道车辆发展到今天的动车组和高速铁路。毫无疑问，随着我国电气化铁路的发展，机车日常故障排除问题越来越多。在电气化铁路运营中，根据多年来的交通事故统计，受电弓故障引起的交通事故占相当大的比例。众所周知，受电弓是城市轨道车辆与接触网之间的过渡部件，是高速运行并产生摩擦损失的主要部件。其故障概率相对较高。机车供电运行中断严重影响了铁路运输安全，是电气化铁路面临的一个非常突出的问题。因此，受电弓常见故障的分析和处理对电气化铁路的安全运输至关重要。根据我国的基本国情，国内铁路提速是通过修建电气化铁路和对既有线路的改造实现的。铁路的电气化和高速化已成为世界铁路运输发展趋势，只有实现电气化，才能实现铁路运输高速化目标。高速铁路采用电力牵引和电气化铁路技术。高速列车在高速运行条件下必须可靠地从接触网获得电能，否则会影响列车运行和电力驱动系统的性能。高速电气化铁路的关键技术之一是如何保证高速运行条件下良好的集电质量。其重要因素是受电弓，城市轨道车辆的关键部件。受电弓工作质量对机车当前的集电状态有着重要影响。对受电弓综合性能有非常严格的要求。随着我国高速铁路的发展，既有线提速改造和高速客运专线提速建设加快，受电弓的日常检查和维护也日益凸显。受电弓是城市轨道车辆的重要电气部件，属于高压电器。它直接接触悬链线，并将电流从悬链线引入机车以供使用。（二）受电弓基本结构及主要部件城轨车辆获得电能是通过受电弓沟通接触网来实现的。城轨车辆采用的是单臂受电弓。受电弓由弓头部分、底架、铰链机构、传动机构、控制机构等组成。弓头部分由滑板架、滑板、喇叭、弹簧盒、固体润滑剂等组成；底架由纵梁和横梁组成；铰链机构由下臂杆、推杆、中间铰链座、平衡杆、上框架等组成；传动机构由传动气缸、传动绝缘子、U形连杆、旋转臂等组成；控制机构由缓冲阀和弓形升降电动气动阀组成。（三）受电弓动作原理1.升、降弓装置：升、降弓装置包含电磁阀和缓冲阀，保证实现下列两个功能：电磁阀通电以允许压缩空气通过，从而升起受电弓。电磁阀断电，允许压缩空气流出并降低受电弓。缓冲阀上分别安装有调节螺栓，用于调节和控制弓头升降的速度和时间。受电弓控制回路由列车电源线（DC110V）正端30420提供电源，经过受电弓和高速断路器控制保护空气开关2F30。受电弓控制回路由列车电源线（DC110V）正端30420提供电源，经过受电弓和高速断路器控制保护空气开关2F30。当列车启动后，列车控制系统进入工作准备状态时，列车控制启动继电器2K04和紧急制动继电器2K10分别通电。2.受电弓举升控制原理：驾驶员可操作受电弓举升开关2S01执行“举升受电弓”命令，通过自动空气开关2F31和列车控制线21103给受电弓举升启动继电器2K31通电。2K31控制各个单元车辆受电弓闭锁继电器2K33、2K33的电源，并接通受电弓驱动电路受电弓电磁阀2K01的电源，以升起受电弓并将受电弓保持在适当的工作位置。3.降弓控制原理：司机可以通过使用降弓控制开关2502来降弓，按下降弓控制开关2S02的常闭触点21-22分断，首先，2K31断电，同时，2502的常开触点13-14闭合，以使受电弓继电器2K32断电。通过常闭触点21-22和31-32，2K33和2Y01断电。受电弓脱落，2K6受到受电弓自动空气2F32的保护。在紧急情况下，单个受电弓可以通过操作车辆a的驾驶员控制面板上提供的紧急制动开关来降低受电弓（双受电弓），当开关被激活并且2K10继电器断电时，其常开触点54-53和64-63直接断开2K33和2K01。4.升弓条件：受电弓能够升起来，升弓气压不能小于3bar。当升弓气压小于3bar时，可以利用A车8号座位下的脚踏泵来提供足够的升弓气压。列车在“无电无气”状态下举升受电弓时，可先按下受电弓按钮给电磁阀2Y01通电，打开连接受电弓的气路，然后踩下脚踏泵举升受电弓。这是“没有空气的电”的常用方法。5.受电弓的状态可以从按钮灯上判断：当升弓按钮的绿灯亮时，表示所有受电弓都已升起；当降弓按钮红灯亮时，表示所有受电弓都已降下；当升弓按钮的绿灯和降弓按钮红灯都不亮时，表示两个受电弓处于不同的状态（如升单弓）。列车对受电弓“升弓”和“降弓”状态的检测方式是不同的，“升弓”状态是通过电压继电器7U01来检测，如下图2-3所示。1U01是变压器，它把接触网的高电压按一定比例变换成低电压。在继电器7U01的内部，这低电压的大小决定触头1.01-1.02和2.01-2.02的状态。触头2.01-2.02串联在受电弓升弓检测电路中，当U>1000V时，触头2.01-2.02闭合，受电弓升弓按钮绿灯亮，表示受电弓升起。“降弓”状态是通过位置传感器7B01来检测的，当受电弓接近7B01时，其连接电路的两接点1.3-2.4导通，受电弓降弓按钮红灯亮，表示受电弓降下。三、城轨车辆受电弓的常见故障分析通常来说，受电弓的故障可以分为三类，受电弓自身故障，外部环境故障，受电弓和外部环境共同作用故障。（一）受电弓自身故障受电弓集成了机械和气动模块。任何模块的任何故障都会导致受电弓无法工作或处于异常工作状态。根据受电弓系统的组成，受电弓本身通常有以下常见故障。（1）升不起弓或自动降弓。原因分析：受电弓拉钮接触不良，受电弓故障开关SDK处于故障位置或接触不良，受电弓升降气阀故障或连接松动或连接松动；门未关好或门联锁顶杆未顶到位；风路塞门未打开或风压过低。升弓弹簧折损或机械故障。处理：①检查升弓气路风压是否高于，如低于此值使用辅助压缩机泵风。②检查控制电器柜上的各种电器开关位置，应置于正常位置。③换弓升弓试，④中自动降弓，停车确认受电弓损坏程度，记录刮弓的地点。（2）受电弓升起后放电。可能原因：车顶支持瓷瓶已经炸裂。处理：①如为原因前三个时立即降弓，请求停电验电后挂好接地线再上车检查，处理完后可维持运。②是最后时，瓷瓶破坏严重时可将导电杆软连线拆除后，用另一端受电弓维持运行。（3）受电弓受流时拉弧。可能的原因：调压阀调节压力不足或压力调节阀失效；B型受电弓铰链座缺乏油，抗强度。C型受电弓碳滑板有沟槽或滑动板限制；D弓弹簧断裂后弹簧压力过低，或更换新的滑动板，接触网失效。处理：①故障原因a时调整压力到规定值。若故障时，可卸下堵，抽出上、下堵，直接用总风维持运行，若时间不允许，可用辅助压缩机打风维持运行到前方站后再作处理。②故障原因b,c,d时升另一端弓维持运行。③故障原因e时降弓滑行一段距离后再升弓，并报告前方车站。（4）滑板条磨耗。故障现象：受电弓的滑板异常磨耗，滑板与接触线杰出的地方出现凹槽。故障分析：a机械磨耗，新建线接触网剖面底部为圆弧形。而且接触线表面有不少比较坚硬的毛刺这是新开通线路滑板条急剧磨耗的主要原因。经过多次运行后，接触导线渐趋平整光滑，摩擦系数减小达到一定的摩擦次数后。机械磨耗量将大大减小并将保持在一定的范围内。b.电气磨损，新开通线路接触线上的毛刺较多，并且由于开通前一段时间暴露于空气和表面污染，与受电弓滑板接触不良，电火花往往较大，电气磨损自然突出。为了使新接触线尽快磨削出平整光滑的接触面，减少滑板的超速磨损，可以采用铁基滑板处理。为了保证受电弓碳滑板与接触线的良好配合，可以考虑以下几个方面：①保证主线接触线锯齿形排列的均匀性；②确保受电弓处于不同提升高度时，受电弓的提升力保持不变；③受电弓设计应注意受电弓头部的结构设计，确保与接触线接触良好，即使其上的碳滑板磨损。（二）外部环境故障受电弓运行时持续暴露在外界环境中，并需要时刻与接触网保持良好接触，任何的外部影响都会对受电弓的性能产生影响。常见的外部环境故障有异物撞击、接触网硬点干扰、车顶有外来物品遗落等，在高速运行中上述因素往往会对受电弓造成破坏性的损伤。（三）共同作用故障受电弓在运行时通过碳滑板从接触网获取电能，然后通过自身的金属机构将电能输送到车内电气设备，由于电的特殊性，很多情况下受电弓的导电性能都会受到影响。常见的共同作用故障有受电弓表面脏污和恶劣天气环境（如雨雪及雾霾）复合作用下造成的高压闪络。京沪高铁、京广高铁在运营过程中都出现过由于极端雾霾天气，导致列车不能正常运行的情况，造成大面积晚点。其主要原因是因为雾霾中含有大量金属离子和烟尘微粒，造成绝缘子表面积存污垢，在高压电作用的情况下，绝缘子会被击穿，导致“雾闪”（也称污闪）现象的发生。四、城轨车辆受电弓的故障对策及检修指导（一）受电弓故障对策根据受电弓故障发生的环境不同，可以分为库内检修和线路运行两部分，针对这两种不同的情况，需要制定不同的故障对策。1、库内检修故障对策动车组施行计划性预防修的体制，分为五级修程。其中每运行4000至5000公里因车型而异）或运用48小时就会进行一次一级检修。一级修的主要内容是对动车组进行全方位的检查、试验。每月或者每运行一定的公里数（例如3万公里、10万公里会进行规定项目的二级修。二级修的内容是对专门的部件或系统进型检查、测量、试验。一级修、二级修统称为运用检修。在运用检修中要及时发现和解决故障，避免动车组带故障隐患上线运行。受电弓作为动车组关键部件，更是每日检修的重中之重。一旦发现受电弓有故障或故障隐患，一定要及时采取措施解决，否则不应安排上线。针对不同的故障原因，针对性的采取措施包括：（1）加强制造源头质量控制。受电弓在高速运行过程中承受着高频的震动和巨大的空气阻力，因而不论是金属部件还是橡胶部件，都需要在设计、制造环节保证足够的强度，避免发生断裂、折损等故障。（2）及时清洁受电弓及车顶高压设备。受电弓绝缘子、供风管路、弓架等部位表面要每日清洁，及时除去表面脏污以防止运行中可能出现的闪络放电故障。特别是在雨雪雾霾天气下，通过替换开行等方式增加车顶绝缘子擦拭的频次，能够取得比较显著的效果。（3）加强受电弓检修。一旦发现受电弓有任何的异常，需要及时排除故障，对于不能及时解决的故障，则需要对故障件及时进行更换并调试保证性能良好。一级检修重点跟踪易耗易损件状态，发现碳滑板、接地导线、弓头等破损裂损或磨耗到限，要做好及时更换。更换配件必须做到安装良好，并进行无电升弓试验，防止维修过程中操作不当造成次生故障。二级检修重点对管路泄露情况测试，还需要对升降弓的时间、压力进行测量、调节，确保复合规定数值。2、线路运行故障对策受电弓如果在动车组运行过程中发生故障，会对整条线路的正常运营产生巨大的影响，在这种情况下，需要列车随车机械师和司乘人员及时做出故障判断。对于能够立即排除的故障，应当及时排除并确保无后续影响的情况下继续行车，对于无法立即排除的故障，应停止使用故障受电弓，另外的受电弓继续行车，当列车回库后及时检修并排除故障。针对由于线路原因引起的运行故障，应在检修天窗中做好供电线路的检查维修，有条件的情况下可以在载客运营前开行确认列车，这一做法能够提前发现线路隐患，及时整改后可以削弱不利影响。或在动车组上增加辅助设备，如增加摄像头记录弓网状况以及增加驱鸟装置防止鸟类撞击受电弓。在新造统型动车组上已经实现了加装弓网监控摄像头的设想，可以为机械师监控弓网情况、弓网故障后原因分析提供可靠手段。关于飞鸟驱散技术，在民航系统中有较多的研究运用，但动车组开行的情况与民航客机差异较大，不适合安装固定的驱散设备，所以可以考虑研究在动车组头车车顶增加干扰设备，驱散鸟类等飞禽达到减少撞击受电弓的目的。（二）受电弓检修指导注意：受电弓登顶检修工作必须在接触网无电的工况下才能进行，必须清理车顶异物，确保无物品遗漏。1、受电弓性能检查受电弓性能检查分为受电弓静态接触力测量和升降弓试验。（1）受电弓静态接触力测量确认受电弓压缩空气压力在额定范围内（340-420kPa），司机室发出升弓指令后，车顶人员目视确认受电弓上升。用轻弹簧秤连接顶管弓的中间，在升弓高度从范围内慢慢向下移动中测量接触压力，下降速度最大不超过O.lm/s;升弓高度从0.5m-2.4m范围内慢慢向上移动测量接触压力，上升速度最大不超过0.1m/s。向下运动时，接触力范围为90±5N，向上运动时，接触力范围为70±5N。如果静态接触力超出上述范围，则需要通过受电弓阀板上的减压阀重新调节静态接触力。（2）升降弓试验受电弓静态压力检测合格后，司机室发出升弓指令，车顶人员观察受电弓升起是否平顺并记录升弓时间。受电弓从降弓位升起至绝对位移0.9m处的时间小于4s，升弓过程中受电弓不允许有任何回弹。司机室发出降弓指令，车顶人员观察受电弓降下是否平顺并记录降弓时间。受电弓从0.9m的绝对位移下降到下降位置的时间小于4秒。放下受电弓时，应该有缓冲器。上车架的上管应落在橡胶减震座上，允许受电弓在下落位置轻微弹跳。如果升降弓时间超出了上述范围，在静态接触压力和气囊压力均正常时，可以通过调节受电弓阀板上的节流阀来调节升降弓时间，顺时针旋转则升降弓时间增加，逆时针旋转则升降弓时间减小，反复操作受电弓上升与降下，调定后的升降弓时间应满足0-2.4m升弓时间为6-10s,0-0.9m升弓时间小于4s;2.4rn至落弓位降弓时间小于至落弓位降弓时间小于4s.2、受电弓外观检查受电弓外观检查主要针对碳滑板等易耗件是否磨耗到限需要更换以及受电弓零件有无脱落、裂纹和损坏。碳滑板检查目视检查碳滑板外观状态，测量碳条残存厚度，当受电弓碳滑板超过规定限度或损坏到规定限度必须更换。检查结束后使用粉笔在铝托架上注明碳滑板厚度，并拍照留影相。出现以下情况时，必须及时更换碳滑板①至正常磨损极限（碳带剩余高度小于②碳滑板断裂③接头或接头泄漏④裂纹导致滑板漏气⑤碳滑板中部（与接触网摩擦区域）有3条以上裂纹⑥碳滑板边缘的宽度大于0.3~的横向裂纹，⑦明显的纵向裂纹⑧碳滑板边缘处磕碰导致碳条大面积脱落（接近宽度的⑨铝托架严重烧损（铝托架烧穿孔洞2mm以上由于撞击造成滑板扭曲变形更换碳滑板时，应保证两条滑板高度差不超过3mm，必要时全部更换。④目视检查底架橡胶堆，确认无老化变形，安装水平。⑤目视检查气囊装置，确保气囊没有损坏。如有裂纹，裂纹深度小于l.2mm，长度为2mm。⑥目视检查减振器，确保外观和安装状态良好，无漏油现象。⑦目视检查钢丝绳，确保钢丝绳无断股现象。在降弓位置，两边钢丝绳的张紧度应一致。⑧目视检查每根软连接线，确保其没有损坏，连接螺母拧紧，接触良好。⑨目视检查车顶风管，确保风管安装良好，无损坏和漏气。检查所有紧固件是否安装良好。3、受电弓表面清洁受电弓运行时一直暴露在外界环境中，会造成表面的脏污，在一级检修过程中，需要及时清洁受电弓及绝缘子表面。同时在遇有雨雪雾霾等不良天气时，可以通过安排库停列车替换下线或使用存放时间来安排车顶高压绝缘子的清洁作业，及时清洁受电弓表面可以有效降低闪络放电故障的发生。该作业时间为一小时左右，通过实际运用表明可以有效保证动车组后续乃至次日的安全运营，减少对行车的不良影响。

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