受電弓是電力機車從接觸網(wǎng)取得電能的電氣設(shè)備，安裝在機車或動車車頂上，通過與接觸網(wǎng)的摩擦，將牽引變電所的電能轉(zhuǎn)移給電力機車。
受電弓可分為單臂弓和雙臂弓兩種，它們均由滑板、上框架、下臂桿（雙臂弓用下框架）、底架、升弓彈簧、傳動氣缸、支持絕緣子等部件組成。列車利用車頂?shù)氖茈姽瓘慕佑|網(wǎng)獲得電能，牽引列車運行，是列車從接觸網(wǎng)接觸導(dǎo)線上受取電流的一種受流裝置。它通過絕緣子安裝在列車的車頂上，是一種鉸[jiǎo]接式的機械構(gòu)件。當(dāng)受電弓升起時，其滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線直接接觸，從接觸網(wǎng)導(dǎo)線上受取電流，并將其通過車頂母線傳送至列車內(nèi)部，供機車使用。
受力弓是用來將接觸網(wǎng)上的電能引入電力機車的重要電器，當(dāng)它升起時，滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線接觸，將電流引入機車主變壓器，是機車與供電系統(tǒng)聯(lián)結(jié)的唯一環(huán)節(jié)。
歷史沿革
發(fā)展背景
受電弓作為電氣化鐵路機車車輛的一個牽引電氣裝置，是建立機車車輛電氣設(shè)備與接觸網(wǎng)之間的電氣接觸，將電能傳送至機車車輛的電氣設(shè)備。受電弓的結(jié)構(gòu)形式及性能是隨著機車車輛的發(fā)展而發(fā)展的，對受電弓的基本要求是滿足機車車輛運行的電氣和機械性能要求。
早期的受電弓運行速度低，輸送電功率小。雙臂式集電弓乃最傳統(tǒng)的受電弓，亦可稱“菱”形受電弓，因其形狀為菱形而得名。但現(xiàn)因保養(yǎng)成本較高，加上故障時有扯斷接觸網(wǎng)的風(fēng)險，部分新出廠的鐵路車輛，已改用單臂弓；亦有部分鐵路車輛（例如新干線300系列車）從原有的雙臂弓，改造為單臂弓。近年來，世界各國受電弓的結(jié)構(gòu)主要發(fā)展為雙臂受電弓和單臂受電弓兩種形式。
國外發(fā)展歷程
自 1964年日本首次開行高速動車組以來，世界主要國家都在積極發(fā)展高速鐵路。經(jīng)過50余年的發(fā)展，形成了以日本新干線、法國TGV和德國ICE為代表的高速鐵路技術(shù)，意大利、西班牙、瑞典等國家也都有其獨立的高速鐵路研究和運用。高速動車組／電力機車是實現(xiàn)鐵路高速化的重要載體，高速受電弓是動車組獲取電能的關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)是高速動車組關(guān)鍵技術(shù)之一，其性能優(yōu)劣直接影響動車組的安全運行，因此，在高速受電弓的弓網(wǎng)受流匹配性、可靠性、穩(wěn)定性研究方面，世界各國都投入了大量的人力和物力，并取得了豐碩的成果，其中最具代表性的是中國、德國、法國、日本的高速受電弓。
由于各國高速鐵路和機車車輛的技術(shù)體系和技術(shù)標(biāo)準不同，在高速受電弓的研究、設(shè)計和制造方面，各國鐵路結(jié)合自己的國情，形成了各自鮮明的特點。從發(fā)展的階段看，第一代高速受電弓的典型特征是"空氣升弓、彈簧降弓、彈簧儲能調(diào)節(jié)"，如日本的PS204、法國的AMDE。該形式具有快速升弓的特點，但是一旦出現(xiàn)刮弓、脫弓等弓網(wǎng)故障，無法立即采取快速降弓措施以保護接觸網(wǎng)。為克服以上缺點，發(fā)展出了"氣動升弓、氣動降弓、氣動閉環(huán)自調(diào)節(jié)"的第二代高速受電弓，具有代表性的有奧地利的SSS87、TSG，德國的DSA350S，日本的PS203。第三代高速受電弓是"空氣升弓、空氣降弓、智能型自動調(diào)節(jié)（被動控制式和主動控制式）"，其代表為法國的CX25、德國的ASP400。世界上技術(shù)領(lǐng)先的受電弓公司主要是奧地利的 Melecs MWW（原 西門子股份公司 MWW)、法國的 Faiveley、德國的 Stemmann 和SCHUNK、英國的Brecknell Willis、日本的Toyo等。
中國發(fā)展歷程
中國自從1958年修建電氣化鐵路開始，就確定了我國電氣化鐵路采用單相、工頻、交流25 kV的供電制式，同時，根據(jù)中國電氣化鐵路和機車車輛的基本限界以及接觸網(wǎng)的主要結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)，決定了國鐵集團受電弓的結(jié)構(gòu)和參數(shù)采用類似蘇聯(lián)和歐洲的受電弓，主要參數(shù)為：弓頭長度大于1 950 mm，滑板工作寬度約1 250 mm，工作高度約2.000 mm。
自2000年以來，隨著中國鐵路大提速特別是高速鐵路的快速發(fā)展，為適應(yīng)高速鐵路動車組的運行需求，中國有關(guān)受電弓企業(yè)采用國外引進、國產(chǎn)化制造和自主化設(shè)計制造的方式，重點發(fā)展高速受電弓，安裝于電力機車和動車組上，為高速鐵路的發(fā)展提供了裝備保證。
中國鐵路目前采用的受電弓型號有：DSA200、DSA250、DSA380、TSG15、TSG19、法維萊CX型等，這些受電弓的弓頭輪廓均符合UIC 608附錄4a的規(guī)定，根據(jù)各型號受電弓的設(shè)計速度和性能，供中國鐵路的和諧系列電力機車、和諧號電力動力分散式列車和復(fù)興號動車組使用，高速受電弓的最高運營速度達到350 km/h。2022年，相關(guān)受電弓制造企業(yè)正在研究、設(shè)計和制造具備弓網(wǎng)接觸力主動控制和弓網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測功能的高速受電弓，以進一步滿足中國高速鐵路列車對受電弓的需求。
技術(shù)原理
DSA-200型受電弓動作原理
帶自動降弓裝置的氣囊驅(qū)動式受電弓的氣路原理圖如圖,包括空氣過濾器、單向調(diào)速閥(升弓)、調(diào)壓閥、氣壓表、單向調(diào)速閥(降弓)、穩(wěn)壓閥、氣囊、氣控快排閥、截止閥、試驗閥、碳滑板及管道。
DSA-200型受電弓由空氣回路進行控制。升弓時電磁閥得電,氣路打開,壓縮空氣通過空氣過濾器1、單向調(diào)速閥(升弓)2、調(diào)壓閥3、氣壓表4、單向調(diào)速閥(降弓)5、穩(wěn)壓閥6,進入氣囊7,同時壓縮空氣通過管路經(jīng)氣控快排閥8向具有氣腔的受電弓碳滑板11供氣,從而由壓縮空氣管路及氣囊中的壓縮空氣驅(qū)動實現(xiàn)升弓。
當(dāng)受電弓正常降弓時,啟動裝置在壓縮空氣輸入端前端的電控空氣閥進行排氣,受電弓靠自重落弓。
當(dāng)受電弓滑板破裂、磨損到極限或管道發(fā)生泄漏時,則換向閥打開,氣囊7及管路中的壓縮空氣經(jīng)過換向閥的排氣口排放到大氣中。同時,帶有觸點開關(guān)的空氣壓力繼電器將動作,通過電器信號通知機車在排水管中出現(xiàn)壓力下降,在受電弓與接觸網(wǎng)脫離之前,主斷路器可以先切斷,從而保證受電弓不會在帶電負載的情況下從接觸網(wǎng)線脫開。
DSA-250型工作原理及動作
DSA250受電弓的升弓是由氣動力驅(qū)動的。壓縮空氣通過電控閥經(jīng)過濾器進入精密調(diào)壓閥，精密調(diào)壓閥用于調(diào)節(jié)受電弓接觸壓力，輸出壓力恒定的壓縮空氣，其精度偏差為士0.002 MPa，氣壓每變化0.01MPa（約0.1 kgf/cm2)會使接觸壓力變化10N。精密調(diào)壓閥在工作過程中，為保證輸出壓力穩(wěn)定，溢流孔和主排氣孔始終有壓縮空氣間歇性排出，屬正常現(xiàn)象。
單向節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)升弓時間，單向節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)降弓時間。如果精密調(diào)壓閥出現(xiàn)故障，安全閥會起到保護氣路的作用。經(jīng)過調(diào)壓后的壓縮空氣進入到帶有風(fēng)道的碳滑板，如果滑板出現(xiàn)空氣泄漏，達到一定的壓力差值后，快速降弓閥動作，升弓裝置中的氣體會從快速降弓閥中迅速排出，從而實現(xiàn)自動降弓。
裝有主斷分斷裝置的受電弓，如果滑板受到?jīng)_擊泄露時，壓差同時使得壓力開關(guān)產(chǎn)生一個電信號傳輸給主斷分斷裝置，列車控制器會切斷主斷路器。同時切斷電磁閥，停止供氣，壓縮空氣會快速從主斷分斷裝置的快排閥及受電弓的快速降弓閥排出，迅速降弓，這樣可避免在下降的過程中電弧對網(wǎng)線和受電弓的損壞。在正常的升弓條件下，壓力開關(guān)有延時功能，延時設(shè)置約為 15~20s。如果快速降弓閥和滑板間的氣管斷裂，自動降弓裝置可以通過ADD關(guān)閉閥停止使用。
SS400型受電弓動作原理
驅(qū)動器的壓縮空氣與滑板防磨損板中的管道相連，滑板斷裂造成壓縮空氣逸散，驅(qū)動器內(nèi)的壓縮空氣將通過高速降落閥進行排風(fēng)，從而進行降弓;同時觸發(fā)主斷路器，防止電弧損壞的發(fā)生。同樣，弓角也受到氣動監(jiān)測，以防損壞。如果壓力線斷裂，可通過切斷閥禁用自動降落裝置。受電弓的所有功能都由各自相關(guān)的閥電腦板執(zhí)行和監(jiān)測。升弓通過啟動按鈕連接至閥控制模塊的氣動管中的電磁閥實現(xiàn)。升弓時間使用氣動供給管中的扼流圈設(shè)置。受電弓的降弓時間和靜接觸力及自動降落裝置的壓力開關(guān)在閥控制面板上設(shè)置。閥控制模塊的壓縮空氣由MR管道供應(yīng)，列車整備時使用輔助壓縮機進行壓縮空氣供給。
典型結(jié)構(gòu)
DSA-200型受電弓結(jié)構(gòu)及作用
底架由型材（鋼材）組焊而成，它是整個受電弓的基座部分，并通過懸式絕緣子固定在機車車頂上。底架上裝有升弓氣囊、一套鉸鏈機構(gòu)和一副受電弓的阻尼器等。升弓氣囊和阻尼器一端安裝在底架上，另一端均安裝在鉸鏈機構(gòu)中的下臂桿上。
鉸鏈機構(gòu)是實現(xiàn)集電頭升降運動的機構(gòu)，包括上部框架、下臂桿、拉桿和平衡桿等，它們通過各種鉸鏈座鉸接。上部框架是由壓型鋁合金型材和板材焊接而成，下臂桿是由管材組焊而成，拉桿和平衡桿為不銹鋼材料。各鉸接處都裝有滾動軸承并采用金屬軟編織線進行短接，以防止電流對軸承的燒損。平衡桿的作用是保證集電頭滑板面在受電弓整個工作高度范圍內(nèi)，始終保持基本水平狀態(tài)。
集電頭部分包括集電頭支撐和集電頭。集電頭是直接與接觸導(dǎo)線接觸受流的部分，其上裝有碳滑板。集電頭支撐垂懸在4個拉簧下方，2個扭簧安裝在集電頭和上臂間，克服橫向偏移，這種結(jié)構(gòu)使滑板在機車運行方向上移動靈活，而且能夠吸收橫向方向上的沖擊，達到保護滑板的目的。
動態(tài)接觸壓力（隨速度的變化增加或減少）可以通過安裝集電頭翼片來對不同速度等級的機車進行調(diào)節(jié)（如用戶需要）。滑板中有氣腔,通有壓縮空氣,如果滑板出現(xiàn)磨損到極限或斷裂時,受電弓會迅速自動降下,更換滑板后,自動降弓裝置重新啟動。
升弓裝置傳遞、實現(xiàn)對受電弓升降運動的控制。升弓裝置由氣囊和與其連接的矩形管、支架組焊、螺桿、四聯(lián)體等附屬部件組成。升弓裝置一端安裝在底架上,另一端通過鋼絲繩與螺栓固定在下臂桿的調(diào)整板上。氣路組件是由閥板和提供壓縮氣體的管道組成的。閥板安裝于機車內(nèi),通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥開口的大小來控制升降弓時間,管路一端和升弓裝置的氣囊連接,另一端與絕緣軟管連接,由機車供風(fēng)和斷風(fēng),從而實現(xiàn)升降弓控制。
DSA-250型受電弓結(jié)構(gòu)
升弓裝置安裝在底架上，通過鋼絲繩作用于下臂。下臂、上臂和弓頭由較輕的鋁合金材料結(jié)構(gòu)設(shè)計而成。滑板安裝在U形弓頭支架上，弓頭支架垂懸在4個拉簧下方，兩個扭簧安裝在弓頭和上臂間，這種結(jié)構(gòu)使滑板在機車運行方向上移動靈活，而且能夠緩沖各方向上的沖擊，達到保護滑板的目的。氣動元件安裝在位于底架的控制盒內(nèi)，自動降弓裝置可以監(jiān)測到滑板的使用情況，如果滑板磨耗到限或受沖擊斷裂后，受電弓會迅速自動降下，防止弓網(wǎng)事故進一步擴大。當(dāng)重聯(lián)運行時，一旦前弓因故自動降弓后，滑板監(jiān)測裝置可通過機車TCMS系統(tǒng)實現(xiàn)后弓的連鎖降弓，從而達到保護后弓免受損壞。ADD關(guān)閉閥置于車內(nèi)，當(dāng)受電弓自動降弓后，如果對接觸網(wǎng)沒有造成損壞，而且對受電弓性能沒有影響時，可關(guān)閉ADD關(guān)閉閥，重新升起受電弓。更換滑板后，應(yīng)重新啟動ADD裝置。
SS400型受電弓
受電弓設(shè)計為單臂式。氣動系統(tǒng)阻尼器10位于底座9上，用于升降受電弓，底座固定在支持懸式絕緣子8上。拉離上拉臂14段會帶離集電器頭1和它的兩個碳條2。氣動自動降落裝置用于滑板斷裂時斷開EMERGENCYOFF(緊急停車)回路使受電弓降落。
法國CX型受電弓
CX型受電弓是Faiveley公司研制的另一種高速受電弓，其可隨車速的變化而自動調(diào)整接觸壓力，使弓網(wǎng)的跟隨性大大提高，從而減少電弧的產(chǎn)生。 X 系列受電弓均采用氣墊支撐裝置和高性能空氣調(diào)整裝置，關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)不受運行速度和方向的影響。為適應(yīng)特別需要，既可安裝高上升度弓頭滑板，又可安裝低上升度弓頭滑板，使維修量大為減少。
日本PS200A型受電弓結(jié)構(gòu)
PS200A型受電弓為雙向作用阻尼器，單弓頭，用于0系電動車組，弓頭歸算質(zhì)量為6.93 kg ，框架歸算質(zhì)量為9.17 kg ，接觸壓力為54 N +15 N 。PS201型受電弓用于200系電動車組，為單向作用阻尼器，單弓頭，2塊滑板相互獨立支撐，弓頭歸算質(zhì)量為10 kg ，框架歸算質(zhì)量10.19 kg ，接觸壓力為54 N +15 N 。
日本PS204型受電弓結(jié)構(gòu)
PS204型受電弓用于400系電動車組，為單向作用阻尼器，單弓頭，2塊滑板相互獨立支撐，弓頭歸算質(zhì)量9.68 kg ，框架歸算質(zhì)量9.17 kg ，接觸壓力為54N+15 N 。
主要特點
受流技術(shù)
受流過程
受電弓從接觸網(wǎng)獲取電能的過程被稱為"受流"。受流是一個動態(tài)過程，涉及多種機械運動形式和電氣狀態(tài)變化，主要包括以下幾方面。
(1）受電弓相對于接觸網(wǎng)的滑動摩擦。(2）受電弓的上下振動。(3）受電弓由于電力機車橫向擺動而發(fā)生。(4）接觸網(wǎng)上下振動，并形成行波沿導(dǎo)線向前傳播。(5）受電弓和接觸網(wǎng)直接發(fā)生水平和垂直方向的撞擊。
(6）電流發(fā)生劇烈變化。
受流要求
受流過程是一個復(fù)雜的機械電氣過程，隨著列車速度的提高，上述各種現(xiàn)象會加劇，維持弓網(wǎng)之間的良好接觸性能會愈加困難，受流質(zhì)量也會隨之下降。當(dāng)列車速度超過受電弓的可承受范圍時，受流質(zhì)量將受到嚴重影響，進而影響列車取流和正常運行。為了保證高速鐵路列車運行的安全、可靠，高速鐵路受流系統(tǒng)必須滿足以下基本要求。
(1)保證電流傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
在列車運行的全部接觸網(wǎng)區(qū)段，必須保證電力機車所需要的最低電壓;在高速鐵路所有可能的運營條件下，接觸網(wǎng)和受電弓的電流負荷能力必須保證列車的可靠運行。
高速鐵路列車的電流負荷特性與常規(guī)電力機車相比有較大的區(qū)別，其特征是:脈沖負荷占比大、電流大、持續(xù)時間短。由于列車運行速度高，啟動和加速時獲得的電流很大，因此，在弓網(wǎng)的高速相對運動中，整個牽引供電系統(tǒng)均要適應(yīng)列車的高速度對電壓水平和電流負荷的要求。
(2)保證安全性。
受流系統(tǒng)的安全運行是高速鐵路正常運營的保證。受流系統(tǒng)的安全性主要從以下幾方面得以保證。①接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)(拉出值、導(dǎo)線高度、定位器坡度)能夠保證受電弓的滑板沿接觸網(wǎng)安全滑動。② 接觸網(wǎng)的性能(硬點、彈性、分相絕緣器、分段絕緣器和線岔結(jié)構(gòu)的平滑性)能夠保證不損壞受電弓的滑板和弓頭。③受電弓自身具有良好的性能，包括良好的抗沖擊性、耐磨性、橫向剛度等。④接觸網(wǎng)和受電弓具有良好的匹配性能。
(3)保證良好的受流質(zhì)量。
受流系統(tǒng)的理想運行狀態(tài)是弓網(wǎng)可靠接觸(無離線、無火花)，電力機車能夠不間斷地從接觸網(wǎng)上獲得電能。在實際線路中，應(yīng)確保離線率盡量小，使系統(tǒng)具有動態(tài)穩(wěn)定性。
(4)保證使用壽命。
在受流系統(tǒng)中，決定其使用壽命的兩個主要因素是接觸網(wǎng)的使用壽命和受電弓滑板的使用壽命。其使用壽命取決于它們的磨耗量，磨耗量在一定速度和傳遞功率下，主要取決于弓網(wǎng)接觸力的大小。因此應(yīng)保持弓網(wǎng)接觸力均勻，即控制弓網(wǎng)接觸力的標(biāo)準差，以減少接觸網(wǎng)的局部磨耗。接觸網(wǎng)和受電弓滑板的材質(zhì)還應(yīng)具有一定的耐磨性能。另外，接觸網(wǎng)應(yīng)具有抗電化學(xué)腐蝕性能。
(5)減少對周圍環(huán)境的影響。
在受流過程中，受流系統(tǒng)產(chǎn)生的電弧會產(chǎn)生電磁干擾和噪聲，應(yīng)采取措施減少其對周圍環(huán)境的影響。
靜特性
在靜止?fàn)顟B(tài)下，受電弓滑板在工作高度范圍內(nèi)對接觸網(wǎng)導(dǎo)線的壓力稱為受電弓的靜態(tài)接觸壓力。該值的大小直接影響受電弓受流的質(zhì)量。靜態(tài)接觸壓力偏小，則接觸電阻增大，功率損耗增加，機車運行時易產(chǎn)生離線和電弧，從而導(dǎo)致接觸導(dǎo)線和滑板的電磨損增加；壓力偏大，則機械磨損增加，甚至造成滑板局部拉槽，進而造成接觸導(dǎo)線彈跳拉弧，以致刮弓。因此，要求受電弓在其工作高度范圍內(nèi)有一個較為合適的、基本不變的接觸壓力，這個接觸壓力由受電弓機械結(jié)構(gòu)和各部分參數(shù)決定。適當(dāng)?shù)撵o態(tài)接觸壓力可以使受電弓與接觸網(wǎng)導(dǎo)線正常接觸，減少離線，克服風(fēng)和高速氣流及輪軌傳來的機械振動的影響，保證良好的受流特性。
受電弓的靜態(tài)接觸壓力與工作高度之間的關(guān)系稱為受電弓的靜特性，它可以用受電弓的靜態(tài)特性曲線來表示。主要表現(xiàn)為以下三點：
(1）在工作高度范圍內(nèi)，受電弓的靜態(tài)接觸壓力變化不大。這是因為產(chǎn)生接觸壓力的升弓彈簧在升弓高度變化時變形不大和弧形調(diào)整板的作用所致。
(2）受電弓上升過程與下降過程的靜態(tài)特性曲線不重合。其原因是受電弓活動關(guān)節(jié)存在著摩擦力。由于該摩擦力始終與運動方向相反，因此，在升、降弓過程的靜態(tài)特性曲線之間的接觸壓力差約為兩倍的摩擦力。當(dāng)接觸網(wǎng)導(dǎo)線向下傾斜而要求弓頭滑板跟隨下降時，該摩擦力使接觸壓力增加；同理，當(dāng)接觸網(wǎng)導(dǎo)線向上傾斜而要求弓頭滑板跟隨上升時，該摩擦力使接觸壓力減小。所以，為了減小摩擦力，在受電弓的各鉸接部分均裝有滾動軸承。
(3）調(diào)整弧形調(diào)整板的傾角，可以改變受電弓靜態(tài)接觸壓力的大小。傾角減小，靜態(tài)特性曲線的下端左移；反之，則右移。
追隨性能
受電弓依靠與接觸線的機械接觸實行受電過程。因此,受電弓保持與接觸線良好的機械接觸性能即追隨性能,是最基本的性能。
追隨性能有靜態(tài)性能和動態(tài)性能兩種。靜態(tài)追隨性能,是指受電弓的滑動范圍充分覆蓋在預(yù)定的接觸懸掛的架設(shè)范圍內(nèi),并且在其范圍內(nèi)抬升力基本保持恒定。電氣列車在運行當(dāng)中,為了使受電弓與接觸懸掛保持良好的接觸,必須控制兩者之間作用力的變動,即表面力的變動應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。其目的是為了達到良好的動態(tài)追隨性能。在接觸懸掛靜態(tài)高度變化及動態(tài)振動的狀態(tài)下,受電弓的接觸力均能保持恒定性。如單講追隨性能,指的就是動態(tài)追隨性能。
受電容量
由于受電弓上載有驅(qū)動電氣列車所必需的大電流流動,所以它的材料選型,應(yīng)具有耐熱,抗變形,防融化,可大容量載流的特性。要求最大載流容量的是直流機車的受電弓,每一臺最大載流容量約為3000A,直流電氣列車約為1500A左右,新干線電氣列車約為400A左右。
在車輛停車或起動時,因滑板與接觸線的接觸阻抗的原因,接觸線有可能被熔斷。特別是在使用電阻率高的碳系滑板的狀態(tài)下,必須在充分考慮輔機電流的前提下決定滑板的配置。
耐磨損性能
由于受電弓與接觸線是滑動接觸形式,所以對滑板材料的磨損控制就尤為重要。因此,為了降低維修成本,必須抑制滑板的磨損量。但是滑板的磨損因素會根據(jù)使用條件而變化,必須在充分調(diào)查運行速度、電流容量、電弧發(fā)生狀況等前提下,提高滑板的耐磨損性能。除滑板外,受電弓的氣缸、軸承、銷子、軸瓦的磨損部件也很多,因此同樣需要有良好的耐磨損性能。
空氣動力學(xué)性能
滑動中的受電弓將受到空氣動力的影響。空氣動力以對物體氣流速度的平方成正比增加,所以在高速運行時,空氣動力的影響就更為顯著。在受電弓上產(chǎn)生的空氣動力當(dāng)中,最棘手的問題是上升力,即空氣動力與接觸力作用在同一方向上。因空氣動力過大造成過大的抬升力,以及因空氣動力使接觸力大幅度減小的受電弓都是不能使用的。
常見分類
分類
列車上安裝有兩臺受電弓，正常運行時一般只升后弓，前弓備用。按結(jié)構(gòu)形式分，受電弓分為雙臂受電弓和單臂受電弓兩種。
(1）雙臂受電弓：雙臂受電弓結(jié)構(gòu)對稱，側(cè)向穩(wěn)定性好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整困難。
(2）單臂受電弓：單臂受電弓結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，質(zhì)量輕，調(diào)整容易，具有良好的動特性，高速時動態(tài)跟隨性及受流特性較好，故而被現(xiàn)代電力機車廣泛采用。
電力機車上采用有各種型號的單臂受電弓，一類屬于彈簧式，如 SSG型電力機車采用的TSG1-630/25型，SS型電力機車上采用的 TSG3-630/25 型等；另一類屬于氣囊式，如SS型、HXD2型電力機車采用的DSA200型等。各類型號之間的受電弓局部部件雖略有不同，但其基本結(jié)構(gòu)有許多相似之處。
常見型號
目前,國際上研制高速鐵路受電弓的主要代表國家為中國、德國、法國和日本。
德國
德國的高速鐵路采用ICE電力機車,早期主要采用SBS65型受電弓。為了進一步提高行車速度,由SiemensAG牽頭與SCHUNK軌道技術(shù)公司合作,德國聯(lián)邦鐵路慕尼黑TZF實際參與,研發(fā)出TSG型受電弓,受電弓的設(shè)計速度為400km/h。
Dornier公司研制了新式DSA350S型受電弓, DSA350S型受電弓在雙機牽引工況下只能達到250km/h,為滿足ICE2型列車運行速度提升至280 km/h的要求,在DSA350S的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化和改進,最終研制成功DSA350SEK型受電弓 。DSA350SEK型受電弓主要進行了以下改進:一是通過皮碗傳動尺寸的改變,對等臂平衡桿部分進行運動學(xué)優(yōu)化;二是在原型受電弓的上臂桿與等臂平衡桿間的適當(dāng)位置 安裝可變化的導(dǎo)風(fēng)板,通過導(dǎo)風(fēng)板活動距離和角度的改變,使受電弓獲得穩(wěn)定的抬升力。為了滿足新一代ICE列車(ICE3型)330km/h的速度要求,ST公司對DSA350SEK型受電弓進行改進,研制了DSA380D、DSA350F、DSA350G等系列高速受電弓,可以提供主動式控制閥板，使在高速運行時的動態(tài)特性滿足TSI標(biāo)準,且消耗最低。
法國
法國高速受電弓主要有AMDE、GPU、CX等系列,其中東南新干線采用AMDE型受電弓 于1981年2月26日,創(chuàng)造了380km/h的世界紀錄,AMDE型受電弓為雙層小開度型(或稱子母弓)受電弓,接觸壓力為70~80N,采用碳滑板,歸算質(zhì)量為9kg。
為了獲得更高的運行速度,Faiveley公司研制了新式GPU型單層受電弓。在大西洋新干線采用該型受電弓,并通過TGV140高速列車，于1990年5月18日,創(chuàng)造了515.3 km/h的世界紀錄。
為了更好地適應(yīng)500km/h以上速度的受流需要,Faiveley公司研制了CX型高速受電弓,它是X系列受電弓的一種(電動車組采用SX型受電弓,速度在220km/h以上的電力機車采用AX或CX型受電弓),可以隨車速的變化而自動調(diào)節(jié)。為此Faiveley公司采用了兩種技術(shù):一是在一定速度范圍以預(yù)先設(shè)定的控制技術(shù)對接觸壓力進行調(diào)節(jié);二是采用電子控制和空氣伺服閥的反饋控制技術(shù)。該受電弓采用合成纖維弓頭,質(zhì)量減輕了30%~40%,并采用氣墊支撐裝置和高性能空氣調(diào)整裝置,關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)不受運行速度和方向的影響。在法國東部線通過搭載CX型受電弓的TGV150高速列車,于2007年4月3日，創(chuàng)造了574.8km/h的世界紀錄。
日本
日本新干線動車組從運營初期的0系到新干線300系電力動車組都采用了菱形受電弓,這是因為菱形受電弓穩(wěn)定性高、集電性好。但是,為進一步降低空氣動力噪聲,需對受電弓進行改進。經(jīng)過10年時間的研制,單臂受電弓終于研制成功,并應(yīng)用于新干線700系電聯(lián)車新型車輛。日本新干線動車組從菱形受電弓發(fā)展到單臂型受電弓，主要是為了滿足降低噪聲的要求。單臂受電弓的研制,進一步降低了噪聲,其中具有代表性的TPS301型受電弓,用于700系批量車的生產(chǎn)。經(jīng)風(fēng)洞試驗及現(xiàn)車運行試驗表明，其集電性能和空氣動力學(xué)性能良好,不僅降低了噪聲,還具有成本低、輕量化、免維修等優(yōu)點。TPS301單臂型受電弓與300系的菱形受電弓相比,噪聲下降了約14dB。
各國的高速受電弓,在保證高速穩(wěn)定受流的前提下，都具備各自的特點。如日本新干線的高速受電弓,將降低受電弓的噪聲作為研發(fā)高速受電弓的一項重要技術(shù)指標(biāo),因此,日本的高速受電弓具備流線型優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單緊湊等特點。法國和德國的高速受電弓技術(shù)已滿足時速300km以上的受流要求,且受電弓的工作高度較高,與我國的弓網(wǎng)受流條件接近,但法國和德國更注重受電弓的實用性,將受電弓的可靠受流作為研發(fā)高速受電弓的主要目標(biāo),對受電弓的空氣動力學(xué)和空氣聲學(xué)的優(yōu)化設(shè)計并不是十分注重。因此,與日本的高速受電弓相比,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且暴露在空氣中的部件較多,缺乏設(shè)計流線型的受電弓底座、絕緣子和弓頭來優(yōu)化受電弓的空氣動力學(xué)性能,以降低受電弓噪聲。
中國
中國借鑒各國高速受電弓的優(yōu)點,通過引進消化吸收,研制了滿足中國鐵路需求的高性能受電弓,其既滿足高速受流，又具備好的空氣動力學(xué)特性,能夠滿足低阻力、低噪聲的要求。在中國標(biāo)準動力分散式列車自主、安全、可靠的原則下,實現(xiàn)了受電弓碳滑板的易損易耗件互換和維護接口的互換。中國時速350km動車組使用的受電弓已基本能夠滿足列車運行速度為350km/h時的取流需要,但在實際運用過程中,仍然有一些問題急需進一步解決(如可靠性、線路適應(yīng)性)。中國現(xiàn)有運用時速350km的受電弓主要有DSA型、 TSG型和CX型。
DSA 系列受電弓
DSA系列單臂受電弓是中國最新引進吸收的主型受電弓產(chǎn)品,適用于相應(yīng)速度等級的各種電力機車及動力分散式列車，如和諧號大功率機車裝備的是DSA200型受電弓 ，250km/h動車組安裝的是DSA250型受電弓,和諧號CRH380A型電力動車組型動車組安裝的是 DSA380型受電弓 。為提高受流性能、減小離線,需要提高框架的上下振動固有頻率和受電弓弓頭的上下振動固有頻率。DSA系列受電弓采用先進的設(shè)計結(jié)構(gòu)，并大量采用優(yōu)質(zhì)鋁合金和不銹鋼等輕型材料,整弓質(zhì)量較輕,輕質(zhì)量的弓頭和較大的弓頭自由度實現(xiàn)了弓網(wǎng)的良好接觸。帶有獨特的自動降弓裝置,動態(tài)情況下1s離線200mm。弓網(wǎng)故障發(fā)生時,主斷控制器可以斷開機車主斷路器,從而避免了帶負載降弓時弓網(wǎng)之間產(chǎn)生拉弧而損壞受電弓和接觸網(wǎng)，該裝置輸出為無觸點控制,體積小、可靠性高、安裝簡單。此系列受電弓采用氣囊驅(qū)動來升弓。
DSA 系列單臂雙滑板受電弓,采用氣動升弓,ADD(緊急降弓控制)快速自動降弓,并采取安裝翼板、導(dǎo)流板的方式來調(diào)節(jié)前、后滑板,解決了開口、閉口運行方向下升力不一致的問題。為適應(yīng)350km/h以上速度運行需求,中國企業(yè)與德國ST公司聯(lián)合制造了DSA380型受電弓,最大試驗速度達到420km/h要求。
TSG 系列
TSG 系列高速雙滑板受電弓,為減小氣動阻力、噪聲,弓頭懸掛安裝在細長的彈簧盒內(nèi),為避免開口、閉口運行下氣動特性不一致,仍然采用調(diào)節(jié)大導(dǎo)流板角度方法。
CX型受電弓
CX型受電弓是一種單滑板高速受電弓,采用氣動升弓,為單根碳滑板受電弓,減輕弓頭質(zhì)量,提高其跟隨性及受流質(zhì)量,并利用列車運行速度、接觸網(wǎng)類型、受電弓運行方向等控制升弓氣囊氣壓,以減少燃弧發(fā)生率。
自主化受電弓
時速350 kmCED400型自主化受電弓采用主動控制技術(shù),設(shè)計方案符合自主化要求。 CED400型受電弓為雙滑板弓頭結(jié)構(gòu)及雙框架下臂桿結(jié)構(gòu) 。
V350型受電弓的機械接口、電氣接口、碳滑板接口與現(xiàn)有350km/h復(fù)興號動車組用受電弓保持一致。該受電弓均采用主動控制技術(shù),設(shè)計方案符合自主化要求。 受電弓采用單桿高強度的碳鋼上臂結(jié)構(gòu)形式,增加了上臂桿的結(jié)構(gòu)強度,減小了迎風(fēng)面積,有利于高速運行時降低風(fēng)阻和噪聲。采用單滑板弓頭,弓頭輪廓符合UIC608要求,減小了弓頭質(zhì)量,提高了受電弓弓頭的跟隨性,有利于弓網(wǎng)受流穩(wěn)定。全新垂直式氣囊升弓驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計,取消氣囊內(nèi)部鉸鏈機構(gòu),便于維護,降低了維護成本。風(fēng)管免維護設(shè)計理念,采用鋼管加橡膠夾布管設(shè)計,固定位置采用不銹鋼風(fēng)管并布置在底架內(nèi)部,活動部位采用高強度夾布管,可以解決以往高速受電弓風(fēng)管的慣性質(zhì)量問題。弓頭懸掛采用柱塞式彈簧盒,結(jié)構(gòu)簡單,解決了現(xiàn)有的片彈簧式或螺旋拉簧式弓頭懸掛阻尼較小的問題,柱塞式彈簧盒利用活塞與滑動膜相對運動時空氣的黏滯性,能夠?qū)崿F(xiàn)阻尼減振。采用主動控制單元,實現(xiàn)受電弓壓力的快速閉環(huán)調(diào)節(jié),具備MVB網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信功能，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)指令、輸入信號進行邏輯運算,并對運行狀態(tài)實施監(jiān)控、記錄、存儲、轉(zhuǎn)儲狀態(tài)信息。
技術(shù)參數(shù)
中國常見型號主要技術(shù)參數(shù)
標(biāo)準規(guī)范
主要設(shè)計標(biāo)準
歐盟鐵路互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范（TSI）從泛歐交通網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的總體需求出發(fā)，研究歐洲鐵路互聯(lián)互通整體功能需求和發(fā)展方向。歐盟 TSI 中 TSI 1301/2014/EU 是鐵路牽引供電的主要標(biāo)準，是整套歐洲牽引供電設(shè)計規(guī)范的總則，明確了概念設(shè)計，定義了主要參數(shù)，主要包括電壓和頻率、交流牽引供電系統(tǒng)的諧波、接觸線的幾何形狀和受流質(zhì)量等，并通過引用歐盟 EN 標(biāo)準細化相關(guān)規(guī)定。
主要指標(biāo)對比分析
牽引供電系統(tǒng)電壓
中國 GB/T 1402、TB 10009 規(guī)定了鐵路交流電壓的主要特性，歐盟 EN 50163 規(guī)定的電壓值有 15kV 和25kV 兩個等級，25kV 電壓等級的標(biāo)稱電壓及其容許的極限值和 GB/T 1402 規(guī)定一致。EN 50388中規(guī)定受電弓平均有效電壓值如表 4 所示。
受供電制式的影響，歐盟標(biāo)準中的交流電壓額定值有兩個電壓等級。在額定電壓等級同為 25kV的條件下，GB/T 1402 采用國際標(biāo)IEC60850，對應(yīng) EN 50163，和歐盟標(biāo)準基本一致。中國標(biāo)準容許電壓的上限值更高。受電弓處最低平均有效電壓，GB/T 28027 采用國際標(biāo)準 IEC 62313，對應(yīng)EN50388，但歐標(biāo)是按照線路等級進行規(guī)定，國標(biāo)是按照機車類型進行規(guī)定。
接觸線坡度和坡度變化
中國 GB/T 32578 規(guī)定接觸線坡度及坡度變化率需滿足表 6 要求。TB 10009 規(guī)定了設(shè)計速度120km/h 到 350km/h 的接觸線坡度及坡度變化率，符合該表要求。在變坡區(qū)段的始末跨，接觸線坡度變化不宜大于變坡區(qū)段最大坡度的一半。
EN 50119 和 GB/T 32578 都對應(yīng) IEC 60913，中歐標(biāo)準關(guān)于接觸線坡度和最大坡度變化率的規(guī)定互相通用。中國標(biāo)準額外規(guī)定了變坡區(qū)段的始末跨坡度變化。
受電弓靜態(tài)接觸力/弓網(wǎng)間動態(tài)接觸力
中國 TB 3271 規(guī)定，受電弓靜態(tài)接觸力：對于交流系統(tǒng)為 70 N+20 -10N；對于直流 1.5kV 系統(tǒng)為90 N±20 N；對于直流 3kV 系統(tǒng)為 110N+10 -20N。
TB10009 規(guī)定，弓網(wǎng)間動態(tài)接觸力，速度v≤200km/h 時接觸網(wǎng)-受電弓間相互作用的最大接觸力為 300N，速度 200km/h＜v≤350km/h 時接觸網(wǎng)與受電弓間相互作用的最大接觸力為 350N，最小接觸力均大于 0N。EN 50367 和 TB 3271 都對應(yīng) IEC 62464，對交流系統(tǒng)，中歐標(biāo)準規(guī)定一致。弓網(wǎng)間動態(tài)接觸力，歐盟標(biāo)準 EN 50119 和中國標(biāo)準 TB10009 一致。
受電弓靜止?fàn)顟B(tài)下最大電流
中國 TB 3271 規(guī)定靜止?fàn)顟B(tài)下最大電流根據(jù)輔助載荷確定，如沒有給定值則按交流對應(yīng) 80A，直流 1.5kV 對應(yīng) 300A，直流 3kV 對應(yīng) 200A 進行取值。歐盟 EN 50367 規(guī)定如表 8 所示。
受電弓靜止?fàn)顟B(tài)下最大電流指標(biāo)，中國標(biāo)準和歐盟標(biāo)準一致。EN 50367 與 TB 3271 都對應(yīng) IEC 62464。
基本要求
保持合適的接觸壓力
受電弓的結(jié)構(gòu)應(yīng)保證滑板與接觸線在規(guī)定的工作高度保持合適的接觸壓力，以實現(xiàn)連續(xù)、可靠的電接觸。
減輕運動部分的重量
受電弓應(yīng)盡可能減輕運動部分的重量，以減小運動慣性，從而使受電弓滑板迅速跟上接觸線位置的變化，保證良好的電接觸。
具有良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計
受電弓在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要充分考慮到列車高速運行時的空氣動力學(xué)問題，力求使作用在滑板上的空氣動力由別的零件承擔(dān)，從而使受電弓滑板在其工作范圍內(nèi)始終保持水平位置，以減小甚至消除空氣動力對滑板與接觸線間接觸壓力的影響。
對滑板的要求
滑板的材料、形狀和尺寸應(yīng)能適應(yīng)高速行駛的列車，提高耐磨性能，同時保證良好的接觸狀態(tài)。
對升降的要求
受電弓在升降時，初始動作應(yīng)迅速，終了動作應(yīng)緩慢，以確保在降弓時快速斷弧，并防止升降弓時受電弓對接觸網(wǎng)和底架有過大的沖擊載荷。
具有良好的空氣動力學(xué)性能
受電弓還應(yīng)具有良好的空氣動力學(xué)性能，以減小高速運行時產(chǎn)生的噪聲。受電弓應(yīng)滿足以下基本要求。
維護與調(diào)整
維護
使用前，應(yīng)檢查所有的緊固件狀態(tài)是否良好；軟編織導(dǎo)線是否完整，有斷股嚴重的應(yīng)及時更換；懸式絕緣子不允許有裂痕，并應(yīng)保持其干凈清潔；弓頭滑板應(yīng)保持平整，連接平滑，對已磨耗到極限的滑板和潤滑劑應(yīng)及時更換。
調(diào)整
調(diào)整必須由兩個人來進行（一人在司機室，另一人在車頂部）。在進行調(diào)整工作之前，受電弓應(yīng)進行兩三次升弓和降弓操作。使用專用的受電弓試驗臺或用測量范圍在0~100 N的彈簧秤進行測試。
靜態(tài)接觸壓力的調(diào)整
一般調(diào)整時，在受電弓弓頭上加掛一90N的重物，正常情況下，弓頭在任意工作高度上應(yīng)能停留。若弓頭在工作高度的上限段不能停留，則應(yīng)調(diào)整升弓彈簧調(diào)節(jié)螺釘，即改變升弓彈簧的變形量，加大或減小升弓力；然后檢查弓頭在工作高度的下限段，若弓頭在工作高度的下限段不能停留，則調(diào)整傾角調(diào)節(jié)螺栓，改變弧形調(diào)整板的傾角，也就是通過改變升弓彈簧組的工作高度之間的變形量來使其滿足要求。
升、降弓時間的調(diào)整
升、降弓時間是指在額定工作氣壓下，以落弓位滑板的頂部為參考點，受電弓由0mm升到1800 mm 或由1800 mm 降到0 mm 所需要的時間。
一般先調(diào)升弓時間，調(diào)整節(jié)流閥調(diào)節(jié)螺釘，通過改變節(jié)流閥口大小就可初步調(diào)整升弓時間；然后再調(diào)整快排閥調(diào)節(jié)螺釘，通過調(diào)節(jié)快排閥彈簧的壓縮量，改變快排的時間長短，從而調(diào)整降弓時間。這種調(diào)試過程要反復(fù)進行多次，相互兼顧，以便滿足受電弓的升、降弓時間和先快后慢的動作要求。
弓頭的調(diào)整
受電弓弓頭的調(diào)整包括弓頭平衡的調(diào)整和彈簧盒的調(diào)整。檢查弓頭在工作范圍內(nèi)任一高的水平。弓頭彈簧盒內(nèi)裝有彈簧盒桿和弓頭彈簧。彈簧盒桿應(yīng)上下活動自如，無阻滯現(xiàn)象，否則應(yīng)對弓頭進行詳細的檢查，找出影響盒桿運動的原因。因為弓頭受到來自接觸網(wǎng)的沖擊，常伴隨有弓頭的變形，所以此項調(diào)整較為復(fù)雜。
應(yīng)用領(lǐng)域
隨著中國鐵路電氣化率的提高,動力分散式列車、電力機車已成為鐵路的主要牽引動力,受電弓在鐵路上的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛。
中國普速鐵路曾經(jīng)使用過的電力機車受電弓有：最早由蘇聯(lián)制造的 IXK-5型受電弓；法國Faiveley公司生產(chǎn)的AM51BU型、M51UF 型和LV-2600型單臂受電弓；株洲電力機車廠研制的Q3型單臂受電弓、TSG1型干線電力機車受電弓、TSG3型干線電力機車受電弓等。
CRH系列動車組采用的受電弓均是技術(shù)成熟、性能良好的高速受電弓，滿足動車組高速運行情況下的良好受流。有兩種型號:一是CRH、CRH?和和諧號CRH5型電力動車組動力分散式列車采用的DSA250型受電弓;一是CRH型動車組采用的SS400型受電弓。
DSA型單臂受電弓有幾種型號，包括DSA150、DSA200、DSA250、DSA350SEK和 DSA350G。DSA型單臂受電弓是2002年11月，中國北車集團大同廠與德國斯特曼公司正式簽定技術(shù)引進協(xié)議后，并逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化的。中國自行研制的“中國鐵路DJJ2型電力動車組”270km/h高速動力車安裝使用了DSA受電弓。CRH?、CRH?和和諧號CRH5型電力動車組動車組采用的單臂DSA250型受電弓。
2018年5月15日至5月18日,CED400型自主化高速受電弓安裝于復(fù)興號動車組，在京沈綜合試驗中完成動態(tài)試驗,單列動車組受電弓最高試驗速度385km/h(最高試驗速度以現(xiàn)場試驗條件為準),重聯(lián)動車組受電弓最高試驗速度350km/h。
2006年7月16日,應(yīng)用于VelaroE動車上的TSG受電弓在馬德里到薩拉戈薩的客運專線上跑出了403.7 km/h的高速。
Faiveley公司研制了CX型高速受電弓,在法國東部線通過搭載CX型受電弓的TGV150高速列車,于2007年4月3日，創(chuàng)造了574.8km/h的世界紀錄。
發(fā)展趨勢
實現(xiàn)高鐵動力分散式列車高速安全運行，需要克服弓網(wǎng)關(guān)系、減阻降噪等一系列技術(shù)難題，需要不斷探索新技術(shù)解決方案和先進技術(shù)應(yīng)用，以提升動車組綜合技術(shù)性能。技術(shù)平臺化、綜合技術(shù)性能提升等特點是當(dāng)前動車組的主要技術(shù)特點和發(fā)展趨勢。
未來，在新一輪科技革命背景下，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智慧、寬帶通信等技術(shù)快速發(fā)展，以科技創(chuàng)新為源動力，加快新技術(shù)、新材料、新工藝的應(yīng)用和轉(zhuǎn)化，高鐵行業(yè)孕育著重大的技術(shù)創(chuàng)新需求和發(fā)展機遇。加快智能高鐵科技攻關(guān)，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)應(yīng)用在高鐵各專業(yè)領(lǐng)域，打造更加安全可靠、經(jīng)濟高效、節(jié)能環(huán)保的智能高鐵系統(tǒng)將成為中國高鐵乃至世界高鐵發(fā)展的未來趨勢。
參考資料 >
高速動車組技術(shù)發(fā)展特點及趨勢 .中國工程院院刊.2024-02-06