摘要：高速铁路动车组中，受电弓作为电能传递的关键点，其工作性能的优劣直接影响动车组的运营质量情况。本文对受电弓车顶高压设备上臂偏斜故障进行原理分析，找出问题原因为C型支架尺寸选取错误并提出改进方案，并在各工况下进行极限位置试验，以验证受电弓C型支架改进后产生的风险，确保动车组安全运营。
关键词：受电弓；上臂偏斜；C型支架；尺寸选取
1 CRH3型动车组受电弓简介
CRH3型动车组受电弓采用法维莱设计生产的CX018型单臂受电弓，通过位于底架上压缩空气驱动装置驱动受电弓下臂实现其上升和下降，底架安装在绝缘子上，带单滑板的弓头安装在受电弓的上臂上。
图1 CX018型单臂受电弓组成图
受电弓配备了一个压缩空气驱动的自动升降装置，当碳滑板破裂时驱动装置将快速降弓。在碳滑板的摩擦块中有一条沟槽里面充满来自驱动装置的压缩空气，如果碳滑板断裂压缩空气就会泄漏，底部驱动装置就会通过一个快速排气阀将受电弓降下。
图2 弓头弹簧与弓角
弓头弹簧是将碳滑板和受电弓上臂横杆相连接的部件，其功能还在于弹簧的弹力作用保证受电弓碳滑板与接触网的受流性能。
弓角作用是动车组在过弯道时由于接触网与受电弓的相对位置的变化，为保证接触网不至于低于碳滑板端部而发生接触网刮坏受电弓而设计。
2 受电弓上臂偏斜故障
据统计，CRH3型动车组3个月时间发生了多架受电弓偏斜故障，故障现象均为受电弓上臂偏斜且碳滑板边缘有明显磨损。
2.1 受电弓上臂偏斜原因分析
受电弓发生上臂偏斜，对受电弓上臂受力分析，受电弓上臂受到水平方向平行于碳滑板方向的力。且碳滑板端部有明显磨损，判断横向力来自于动车组过弯道时接触网刮擦碳滑板端部时所产生。
模拟各极限工况下受电弓发生上臂偏斜故障
受电弓的运行有下列两种极限工况
工况一：受电弓弓头弹簧压缩到最低时碳滑板上表面和上臂Y型支架距离；
工况二：受电弓弓头弹簧拉伸到最高时碳滑板端部和弓角距离。
由受电弓弓头结构可知，只有在工况二即弓头弹簧拉伸到最高时才可能发生碳滑板端部高于弓角情况，才有发生上臂偏斜故障发生的可能。
2.2 故障受电弓数据测量及分析
图3 碳滑板拉伸到最高极限状态位置图
分析故障受电弓，当碳滑板被拉伸到极限最高状态时，碳滑板端部比弓角相应位置最多高出5.3mm，在动车组过较大弯道时，随着接触网沿着碳滑板端部方向的移动，直接造成接触网卡在碳滑板端部和弓角处，由于接触网为消除碳滑板偏磨现象，在安装时采用的是“Z”型方式安装，当接触网卡在碳滑板端部和弓角处后，随着车组向前运动，接触网的左右运动就对受电弓上臂产生一个垂直其上臂的力，造成接触网刮擦受电弓，产生上臂偏斜故障。
对受电弓故障进行统计时发现受电弓厂家对受电弓做过改造。CRH3型动车组多次发生受电弓弓头上臂Y型支架（弓头与上臂连接处）与接触网存在摩擦现象。
唐车公司和法维莱公司制定了更改受电弓C型支架方案，将弓头处C型支架高度降低，C型支架上下两处固定孔距离由原来的h1=97mm降低为H1=82.5mm。
即X= h1-H1=97-82.5=14.5mm
通过减小支架的垂直高度，从而增加碳滑板与上臂Y型支架的相对垂直高度差，如图4所示使碳滑板高于Y型支架。
图4 原C型支架图 改进后C型支架图
从而使碳滑板在任何工况下都高于上臂Y型支架，避免列车高速运行时接触网和上臂连接处发生接触性摩擦。
在处理上臂Y型支架与接触网磨损故障时，对C型支架的改造中，降低了C型支架高度14.5mm，由图4可知，弓角和C型支架刚性连接，降低C型支架高度14.5mm，相当于降低弓角高度14.5mm，这样造成了在将弓头弹簧拉伸到最高位置时出现图3，碳滑板端部比弓角高出5.3mm情况，即在未更改C型支架尺寸时在碳滑板拉伸到极限高度时碳滑板端部比弓角高度低d=14.5-5.3=9.2mm，
在未更改C型支架尺寸时任何工况下均不会发生受电弓上臂偏斜故障，在C型支架的改造方案制定后没有做到完善的运营考核，没有考虑到受电弓在各种极端工况下的弓网关系，直接造成受电弓上臂偏斜故障。
3 整体解决方案分析
3.1 解决碳滑板与Y型支架磨损问题条件
由受电弓位置结构可以知道，正常工况下，接触网与碳滑板是唯一接触点，要使接触网能和受电弓上臂Y型支架相互摩擦，只有碳滑板位置低于或者与上臂Y型支架位置等高时才能发生受电弓上臂Y型支架与接触网摩擦的故障。
图5 碳滑板与上臂Y型支架接触点相对位置
对受电弓弓头弹簧压缩到最低位置时模拟碳滑板和上臂Y型支架的极限位置，测量碳滑板上表面与上臂Y型支架的垂直高度c的尺寸,如图5，当碳滑板压缩到极限最低时，考虑到碳滑板磨耗到限情况（滑板表面到铝基板厚度为5mm）时，测量出碳滑板上表面的位置高于上臂Y型支架6.1mm。
因此要保证接触网与上臂Y型支架不相互摩擦，只需要使调整后的碳滑板高于Y型支架的垂直距离。
3.2 解决受电弓上臂偏斜问题条件
在上文测量故障受电弓数据时，当碳滑板被拉伸到极限最高状态，碳滑板端部比弓角相应位置最多高出5.3mm，因此要解决上臂偏斜问题，需要满足调整后的碳滑板端部低于弓角位置，即至少要降低碳滑板和弓角的相对垂直距离5.3mm。
3.3 同时解决碳滑板与Y型支架磨损和上臂偏斜问题所需条件
条件一：允许碳滑板和上臂Y型支架相对距离调整0-6.1mm；
条件二：必须调整碳滑板和弓角相对距离大于5.3mm。
由于弓角和Y型支架刚性连接，调整C型支架尺寸时上臂Y型支架相对距离和碳滑板和弓角相对距离都同时变化，所以要满足上述条件，取调整尺寸为：
5.3mm<X<6.1mm即可。
3.4 解决方案及验证
调整C型支架需要考虑受电弓在不同工况下都能正常工作，具体解决方案步骤如下。
图6 故障1、2解决方案流程图
由图7可以看出，C型支架高度减小时弓角高度同等减小，所以需要调整的C型支架减小的尺寸为5.3mm<X<6.1mm，其中X=h1-H1。取X=5.5mm时，在下列工况中进行验证是否满足要求。
图7 弓头部件位置安装图
工况1：弓头弹簧拉伸到最高时；
当弓头弹簧拉伸到最高位置，当C型支架减小量X=5.5mm时，其弓角与碳滑板端部的高度差d为：d=5.3-5.5=-0.2mm，即弓角高于碳滑板端部0.2mm，不会发生受电弓上臂偏斜故障；
由于弓头弹簧最大变形量为60mm，碳滑板压缩到极限最低，碳滑板磨耗到限情况（滑板表面到铝基板厚度为5mm）时，测量出碳滑板上表面的位置高于上臂Y型支架6.1mm。
所以在该工况下碳滑板与上臂Y型支架垂直距离c为：c=60+6.1=66.1mm,即碳滑板上表面高于上臂Y型支架66.1mm，不会发生上臂Y型支架与接触网摩擦情况。
工况2：碳滑板磨耗到限且弓头弹簧压缩到极限；
碳滑板磨耗到限且弓头弹簧压缩到极限，当C型支架减小量X=5.5mm时，其弓角与碳滑板端部的高度差d为：d=60+0.2=60.2mm,即弓角高于碳滑板端部60.2mm，不会发生受电弓上臂偏斜故障；
碳滑板与上臂Y型支架垂直距离c为：c=6.1-5.5=0.6mm,即碳滑板上表面高于上臂Y型支架0.6mm，不会发生上臂Y型支架与接触网摩擦情况。
工况3：受电弓正常工作时即碳滑板静态接触力为70N时；
由于工况1和工况2考虑的是碳滑板和上臂Y型支架、碳滑板端部和弓角的极限位置，当C型支架减小量X=5.5mm时都能满足不发生上臂偏斜和上臂Y型支架与接触网摩擦故障，所以在受电弓正常工作时也能满足。
4 结论
基于工况1：弓头弹簧拉伸到最高时、工况2：碳滑板磨耗到限且弓头弹簧压缩到极限和工况3：受电弓正常工作时即碳滑板静态接触力为70N时的模拟分析，对于采用将C型支架尺寸减小X=5.5mm的方案在受电弓运营的各种极端状态下，均无上臂偏斜和上臂Y型支架与接触网摩擦风险。
5 结束语
本文从CRH3型动车组受电弓上臂偏斜典型故障入手，对其产生原理进行了分析，并提出改进方案。通过对各工况下对C型支架的改造尺寸进行分析验证，保证了改造后受电弓能避免上臂偏斜和上臂Y型支架与接触网摩擦的风险。
参考文献：
[1] CB09_CRH380法维莱_受电弓_维护说明书V1.0_（20101124）（Z）；
[2] TCD00000007645高压系统-B CRH3设计概念(Z)；
[3] 唐车公司和法维莱公司更改受电弓C型支架方案(Z).
论文作者:周小龙
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/14
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