机车受电弓解冻系统设计

孙　彪

(呼和浩特铁路局科研所， 呼和浩特 010030)

在低温寒冷天气下，经常发生机车受电弓结冰情况，致使受电弓不能正常升弓。经过大量的现场分析可知，导致受电弓冻结的原因大致有两种：一是机车在低温天气运行时，受流的受电弓滑板迎风面撞击冷空气，由于滑板温度高于环境温度，导致受电弓滑板迎风面冷凝产生大量的雪状冰，当受电弓降弓后，由于受电弓初始升弓拉力无法克服结冰后弓头重力，无法正常升弓。二是在降雪天气时，降弓状态下受电弓部件之间发生结冰，而升弓拉力不足以破坏结冰，导致不能正常升弓。

目前，常用的解冻方法是将故障机车拉至暖库内将结冰融化，或者由工人在接触网下用绝缘木杆捅受电弓弓头[1]，这两种办法都费时费力，并且还有安全隐患。所以，为解决受电弓解冻难题，设计了一套受电弓解冻系统。

1　解冻装置设计

受电弓解冻装置是由气缸组件、控制系统及输气管路组成。系统采用机车辅助风缸风源，通过安装在受电弓底架上的气缸，给弓头一个顶升力，破除受电弓结冰。同时，也可将弓头顶升一定高度，辅助原升弓系统克服最艰难的初始升弓阻力[2]，特别是克服弓头结构大量结冰的额外重力，以实现顺利升弓。以国内大部分机车采用的DSA200型单臂受电弓为研究对象，进行系统结构设计，对于其他类型受电弓，只需对该解冻系统气缸组件稍作修改，便可加装应用。

受电弓气动顶弓系统主要由气缸组件、油雾分离器、控制阀、减压阀、铜管、高压软管及气动连接件等组成。

1.1　气缸组件设计

气缸组件由气缸、连接组件及顶盘组成，安装在受电弓底架上，是顶升系统的执行部件，如图1所示。

图1　气缸组件结构图

(1)气缸:

北方冬季气温较低，最低可达零下30℃，选择的气缸必须具有耐低温特性。由于受安装位置尺寸限制，连接组件的边长不超过50 mm。降弓后，弓头落在两个弹性支撑组件上，气缸组件和弹性支撑组件都安装在受电弓弓头臂管正下方[3]，所以，气缸组件高度必须低于受压后弹簧支撑组件高度，避免弓头臂管会与气缸顶盘发生碰撞。综合考虑各因素，气缸性能必须满足以下要求，如表1所示。

表1　气缸性能要求

(2)顶盘：安装在气缸活塞杆上，在气缸活塞的作用下，将受电弓弓头顶起。顶盘下端面开M10的螺纹孔，与气缸活塞杆通过螺纹连接。为防止顶盘脱落，用直径为3 mm的销轴将顶盘与活塞杆固定。

(3)连接组件：连接组件由上下两块方形连接板组成，上连接板与气缸底座，及两块连接板之间都用螺栓连接；下连接板与受电弓底架用放松螺母连接固定。

1.2　控制系统设计

控制系统作业时对气源进行干燥去油雾，调节气压，控制开闭，实现对气缸的顶升和泄压控制。系统主要由控制塞门、油雾分离器、减压阀及手动控制阀组成。控制系统结构如图2所示。

图2　控制系统结构图

系统工作气压一般在0.4～0.6 MPa之间，通过减压阀来调节。采用三位中泄式手动控制阀，控制系统气动顶弓作业。控制系统各部件之间采用G1/4外螺纹转接头连接。

2　气源选取及输气管路设计

2.1　气源选取及接入

(1)气源选取

机车共有3条风路可以提供给受电弓进行升弓，分别来源于总风缸、控制风缸和辅助风缸[4]。机车正常运行时，由总风缸给受电弓提供升弓风源；在机车小辅修中需要升弓测试或停放后重新投入使用时，如总风缸压力较低，而控制风缸风压大于500 kPa时，可打开塞门97，利用控制风缸给受电弓提供升弓风源；当机车停放时间较长，总风缸和控制风缸风压都较低时，可启动辅助压缩机，利用辅助风缸给受电弓提供升弓风源。

受电弓可能在临时停车、换端作业或室外长时间停放等情况下发生冻结。综合考虑受电弓可能冻结的各种情况，以及升弓风源类型，选择具有独立压缩机供风的辅助风缸作为解冻系统风源。

(2)气源接入

按照尽量减少对机车原有气路结构改动，且不影响机车原有各项功能的设计思路，在辅助风缸主管路与控制辅助风缸双针压力表管路接口处，加装一个三通阀，引出一路气源给受电弓顶弓系统。在引出的气源管路上安装一个球阀，控制顶弓系统的气源，平时该阀门关闭，当受电弓冻结后需要顶弓操作时打开。

2.2　输气管路设计及安装

(1)输气管路设计

系统从辅助风缸管路取风，经过系统控制柜，穿过机车车顶，最后输送给安装在受电弓底架上的顶弓气缸。输气管路原理如图3所示。

图3　顶弓系统气路流程图

(2)输气管路安装

顶弓气缸安装在车顶受电弓底架上，所以需在机车顶板上开孔，将机车内辅助风缸的气体输送给顶弓气缸。采用机车原受电弓升弓气路贯穿车顶的安装方式，即在车顶上开孔，将两端都是内螺纹套管，用环形焊接的方式焊接密封。

顶弓系统从辅助风缸管路取风，采用外径为8 mm、壁厚1 mm的铜管，将其输送至安装在配电柜外侧壁的控制柜。控制柜与贯穿车顶的套管间，由于距离较长，所以采用高压软管连接，沿着配电柜上边缘布置，沿途用尼龙扎带与已有管路绑扎固定。

在机车顶部，受电弓架上亦采用外径8 mm、壁厚1 mm 的铜管作输气管路，在原固定受电弓气源管路管夹处，加装一个新的管夹来固定输气铜管。铜管一端与贯穿车顶螺纹套管之间，采用耐特高压的绝缘软管连接，以确保受电弓与车顶之间的绝缘性；铜管另一端与气缸进气孔通过专用接头连接。受电弓架上气缸组件及气动管路布置安装情况，如图4所示。

图4　受电弓架上气缸组件安装 及管路布置图

3　试验验证

2016年11月在呼和浩特铁路局包西机务段车间，对受电弓解冻装置进行了现场试验。

利用风泵代替机车辅助风缸为系统提供风源，整套设备按照在机车上的设计原理安装连接，试验结论如下：

(1)顶弓装置与由受电弓弹簧支撑装置结合使用，在受电弓降弓状态下，弓头臂管不会与气缸顶盘发生硬接触。

(2)系统压力为0.5 MPa时，顶弓气缸的顶升力为618 N；当控制系统压力为0.6 MPa时，顶弓气缸的顶升力为745 N；系统压力在此范围内，即可满足受电弓一般冻结状态下的解冻要求。

(3)受电弓解冻系统可破除受电弓弓头结冰，并辅助原升弓系统克服初始升弓阶段阻力。

(4)系统安全性高，实用性强，加装方便，对机车原有功能不产生影响。