赵晓飞
[摘 要]动车组的受电弓是动车组从接触网上取得电能的电气设备，安装在动车组车顶上。受电弓一般分单臂弓和双臂弓两种，均由滑板、上框架、下臂杆、底架、升弓弹簧、传动气缸、支撑绝缘子等部件组成。双臂受电弓早期较为普遍，如菱形（钻石）受电弓，后由于维护成本较高，且故障后易拉断接触网而逐渐被淘汰。目前，动车组均采用单臂受电弓，通过一定的接触压力实现接触网与滑板接触导通，负荷电流由受电弓传导至特高压电缆进而到车内牵引供电设备实现电能转化动能。
[关键词]动车组；受电弓；故障分析
中图分类号：U269.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）03-0018-01
根据近年来受电弓运行途中故障统计显示，CRH2型动车组受电弓运行途中自动降弓故障频发，故障类型均为供风管漏风，如运行途中受异物或鸟类撞击造成。同时针对CRH2型动车组受电弓供风管路的改造，即将原有的ADD供风管路配套的PU管改为PA管后，根据动车所实际运用中发现，PA管的材质对比原PU管材质硬度提高，但橡胶管的韧性降低，在橡胶管安装过程中较易折断。所以动车组在运行过程中可能因天气原因造成橡胶管路材质变化而造成的受电弓ADD供风管路断裂故障。
1 受电弓的结构
受电弓的主要构成材质为铝合金材料，其上臂、下臂和弓头都是由这种材质组成，采用在底架上安装升弓装置和作用于上臂的钢丝绳进行工作。为保护滑板，缓冲滑板在动车组运行时受到的不同方向的阻力和冲击力，滑板使用了在U型弓头支架上安装的方法，在上臂和弓头之间安装两个拉簧，在4个拉簧下方垂悬弓头支架，达到了在运行时可以向各个方向灵活移动的目的。滑板安装在U型弓头支架上，弓头支架垂悬在4个拉簧下方，两个拉簧安装在弓头和上臂之间，这种结构使滑板在动车组运行方向上可以移动灵活，而且能够缓冲各个方向上的冲击，达到保护滑板的目的。
2 受电弓产生的故障
2.1 风管故障
据不完全统计2016年全路动车组共配属动车组2276列折合2673标准组，共发生受电弓损坏造成行车设备故障（安监报-1）122件，其中CRH1系列14件，CRH2系列82件，CRH3系列18件，CRH380D型1件，CRH5系列7件。经检查发现绝大部分受电弓故障由于飞鸟（其他异物）击打造成受电弓供风（监测）管路受损漏风进而导致受电弓自动降弓，真正的弓网损坏事故和碳滑条折断故障较少。由于短编组（8辆）动车组安装两个受电弓，长编组（16辆）动车组安装有四个受电弓，因而发生受电弓故障后，根据应急处置办法，确认不影响运行安全情况可换备用弓正常运行至动车所修复。但是，2016年2月初，上海铁路局在沪杭高铁和宁安客专上连续发生了两起CRH2型动车组（短编组）受电弓双弓故障，造成区间救援时间超过4小时，特别是沪杭高铁故障严重影响高铁干线运输秩序，危害巨大。分析原因是冬季低温造成受电弓供风管路变脆，冰雪或异物击打（监控视频回放发现）造成受电弓供风管路漏风。
2.2 裂纹故障
动车组运行过程中，受电弓会受到弓网不良关系的冲击，同时动车组受运行速度、轮轨关系等因素影响产生的振动也会对受电弓造成冲击。频繁的碰撞和冲击会令受电弓框架在焊接部位等薄弱点出现开裂现象，缩短其使用寿命。同时，上框架焊接部位焊接质量也是影响框架开裂的重要因素。通过拆解故障受电弓，并对受电弓运营工况进行详细分析，总结造成上框架顶管发生裂纹故障的可能原因。
（1）出现应力点且频繁受力所致。故障受电弓在某段高铁运营，因线路情况非常复杂，隧道多，共237座，全长178.858km，占线路长度的18.5%。动车组运行时需要反复完成进出隧道动作，弓头在大导流板作用下会有瞬间垂直作用力，而此时上拉杆反应会相应滞后，从而导致在上框架顶管处出现一个应力点。在动车组正常运营过程中，该部位由于频繁受力，超过其疲劳寿命，最终导致在应力集中点发生平衡杆上框架顶管裂纹故障。（2）焊接变形所致。焊接热变形导致上框架顶管端面不规则变形，焊后上框架顶管向肘接方向收缩，同时顶管端面向焊缝区域收缩。并且上臂顶管是整体焊接，变形后导致受力不均，增加顶管裂纹的概率。
3 故障的处理措施
3.1 风管故障的应对
1）恢复ADD装置风路
经过连续发生双弓故障后，上海铁路局组织主机厂认真做好调查，在市场上选取了适合受电弓供风管路的快速接头，通过现场试验验证，能够满足应急处置需要，操作简便，快速易学。登顶检查若发现受电弓风管破损位置处于ADD阀顶压力检测回路至白色回风管区段，则利用快速接头将断裂风管接上，长度不足可使用两个接头加适当长度风管补足，接好风管后使用扎带固定。使用快速接头连接风管之前需使用剪刀修剪确保断口平齐，若发生在ADD阀顶接头处松脱长度不足以安装快速接头时，将松脱接头锁紧螺母拧下，残余部位拔掉，以快速接头接续适当长度风管安装后重新锁紧。
CRH2C型动车组TSG19A（株洲九方受电弓）受电弓基座位置还配置一根10mm供风管路，发生黑色供风管路破损故障后，应急处置应尽可能减少时间，将故障风管两端锁紧螺母拧下，备品风管两端接上固定，中间位置使用扎带固定。
2）加强受电弓结构的设计
动车组运行过程中受电弓受异物击打是概率事件，目前几种受电弓之所以受损概率不同，是因为升起工作状态的受电弓空间上覆盖横截面不同，速度等级不同，相对于CX-018型受电弓，DSA250型受电弓横截面较大，像一个撑开的“捕鸟网”，鸟类或其他异物相对容易挂载附着，且受电弓最易受损的供风管路较多且外露，受电弓受损影响运行的概率较大。国外部分动车组多年运营经验对后续受电弓设计已有此类考虑，相比较而言，例如日本E2系1000型动车组PS207型受电弓从外观到结构都做到了尽可能的简洁，高压设备和风管内包，受损几率大大降低，有助于减少此类问题，因此建议，我国后续的标准动车组受电弓使用中也要向此方向积极借鉴并进行深入研究。
3.2 裂纹的应对措施
优化方案一：增加上框架顶管内壁厚度，提高加工余量0.3mm，改善焊接变形导致后期镗孔偏差，同时顶管采用冷拉工艺的铝合金顶管，以提高应力的传导，从而避免应力积聚。优化方案二：对上框架顶管端部采用焊接接头形式，接头采用铝合金锻造块进行数控机床加工，保证壁厚的均匀性，同时采用冷拉工艺的铝合金顶管，取消顶管端部焊缝，消除焊接变形。采用加粗加厚的端部顶管可以有效分散应力，便于应力传导到上框架处。
优化方案二：能有效降低上框架顶管端部的应力水平。
自双滑板受电弓上臂顶管发生裂纹故障以来，通过分析受电弓的运营工况，拆解故障受电弓进行设计结构剖析，查找出故障原因。后改进焊接工艺，采用新结构弥补原方案的缺陷。通过仿真分析和对样弓进行地面静应力测試，确定最优方案可行，并提交铁路行业专家评审，得到了专家肯定。下一步计划将结构优化后的受电弓装车动态测试，通过与现有结构对比动应力测试结果，进一步验证优化方案的有效性。该方案的研究和制定对其他焊接相关部件结构改进有借鉴意义。
参考文献
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[2]向前.动车组受电弓自动降弓故障分析及对策措旋[J].上海铁道科技，2011，（02）：51+103.
