高速动车受电弓故障监测及改进措施分析

摘要
我国高铁建设虽进步较晚，但近年来，高铁迅猛发展，不仅形成了国内“四横四纵”的高速铁路网格局，还远销国外，在世界高铁建设的大家庭中充当重要的角色。

我国的高铁建设团队以其高效的建设速度、出众的建设质量、低廉的建设成本、稳定可靠的线路运输世界闻名。

高铁是高速运输铁路的统称，他有着高效的运输能力，快速便捷的特点，方便国民的交通出行，也为国家的经济建设起到促进的作用。

随着高铁需求的日益增加，高速铁路的建设也在快速的进行，伴随而来的安全问题也接踵而来。

弓网系统作为高铁动力的唯一来源，为了避免故障的发生，防患于未然，对于弓网实时监测系统的建立和改进措施的研究也十分重要。

本文通过阅读相关的文献资料，对我国的高铁受电弓和接触网建立动力学模型，通过采用ANSYS软件进行仿真计算，对受电弓的结构、受力、噪声、材料等多方面进行研究分析。

并以仿真结果为原型，对受电弓进行改进措施的论证，实现一套比较完整的检测系统框架及解决办法对比分析，最终达到提高高铁受电弓的安全性和可靠性，为高铁出行安全提供理论保证和改进措施分析。

关键词：受电弓；故障检测；改进措施
目录
第1章绪论 (3)
1.1 课题研究的目的和意义 (3)
1.2 本课题国内外研究现状和发展趋势 (4)
1.2.1国内外研究现状 (4)
1.2.2未来的发展趋势 (6)
1.3 课题研究的主要工作 (7)
1.4 本章小结 (7)
第2章受电弓接触网的主要结构及主要技术参数分析 (8)
2.1 接触网的结构分类简介 (8)
2.1.1 直接提供 (8)
2.1.2 直供、回流提供 (9)
2.1.3 BT供电 (9)
2.1.4 AT供电 (10)
2.2 受电弓结构和使用简介 (10)
2.2.1 双臂式 (11)
2.2.2 字母式 (11)
2.2.3 T形 (11)
2.2.4 单臂式 (12)
2.2.5 运行示意图 (12)
2.2.6 升降弓原理 (13)
2.2.7 单臂受电弓部件描述 (13)
2.3 弓网的动力学参数 (16)
2.3.1 接触网动力学参数 (16)
2.3.2 单臂式受电弓的结构参数介绍 (19)
2.4本章小结 (20)
第3章受电弓的故障检测分析 (20)
3.1受电弓故障案例分析 (20)
3.1.1 降弓故障分析 (20)
3.1.2 受电弓框架裂纹故障分析 (21)
3.1.3 受电弓电磁阀烧损分析 (21)
3.1.4受电弓系统常见故障分析 (21)
3.2受电弓故障检测系统分析 (22)
3.2.1 特征需求 (22)
3.2.2 用途分析 (23)
3.2.3 功能分析 (23)
3.3本章小结 (23)
第4章改进措施仿真分析 (24)
4.1 ANSYS软件的简介 (24)
4.2软件的使用步骤 (24)
4.3 仿真结果展示 (25)
4.3.1 受电弓弓头框架杆件建模仿真分析 (25)
4.3.2 接触网的静态力仿真分析 (30)
4.3.3 弓网系统的仿真静态力分析 (32)
4.4 仿真结果的分析 (34)
4.4.1 当受到相同力的作用下（350N） (34)
4.4.2 不同压力接触网静态力分析（200N或30N） (34)
4.4.3 不同材料的弓网模型静态力分析 (34)
4.5 本章总结 (34)
第5章对受电弓故障的分析及改进措施的研究总结 (35)
5.1 故障分析及改进措施分析总结 (35)
5.1.1 升弓故障或者异常降弓 (35)
5.1.2 升弓放电或降弓拉弧 (36)
5.1.3 弓头滑块磨损严重 (36)
5.1.4 行驶途中受电弓破损或有异物进入 (37)
5.1.5 受电弓正常工作但是显示异常 (37)
5.1.6 弓头滑块偏磨 (38)
5.1.7 受电弓组件损坏 (38)
5.1.8 受电弓无法完成升弓操作 (39)
5.1.9 气动装置故障 (40)
5.2 本章小结 (41)
参考文献 (41)
第1章绪论
1.1 课题研究的目的和意义
铁路，是一个国家的运输大动脉，他因载荷大、时速快、可靠、便宜、方便、可全天候运行而出名。

在辽沈战役中，9天时间运送64个军近10万大军，为我国的解放战争立下汉马功劳，可见铁路在国家经济建设中具有重要地位，具有战略意义。

它不止能服务于人民，还能用于抗震救灾，军用运输，古有丝绸之路，今有高铁丝绸，铁路的发展，是一个国家经济发展的象征，是全部铁路职工的辛勤奉献，造就了今天的辉煌。

我们把时速在250公里以上的快速铁路称为高铁。

京津线是我国第一条建成运行的高速铁路，它于2008 年竣工，当时的设计时速为350公里。

到2019年为止，四横四纵的高铁局面已经初步形成，总里程达2万公里以上，远超世界上其他国家高铁里程的总和。

预计于 2020 年建成 8 纵 8 横连通全国各大中城市的高速铁路网。

为了实现高速铁路的建设，工程师们采用无缝钢轨，采用无砟轨道。

在设计线路时，尽量减少弯道的数量，实在无法避免，则采用较大的转弯半径，从多方面增加行驶的安全性。

高铁一般采用高架桥方式，当有山体时，则采用隧道的方式。

高铁之所以运行速度这么快，与它的设计息息相关，除了无缝钢轨，无砟轨道，流线型的车身之外，还有一个重要的设计，那就是他不是普通的单一动力源拉动，而是采用动车组，即每个车厢都有自己的动力输出，多个动力组成一个系统，可以推动列车快速运行。

众所周知，高铁的动力是靠电能，那么快速运行的动车组是怎么获取电能呢？
这就我们所要研究的高铁动力的唯一获取来源——受电弓。

就如它的字面意思，受电弓就像一个弓形一样从电网上获取电能，高铁电网组成一个25KV、50Hz的供电系统，受电弓和电网接触，将电网上的电能通过受电弓传输的列车组上，列车获得能量，在合适的轨道上疾驰而过。

受电弓、电网、列车、轨道共同组成一个高铁系统。

作为高铁动车组唯一的动力来源，受电弓的可靠性决定着列车的安全快速运行，而检测分析受电弓故障，保障机车运行的安全性，保证人民群众的生命财产安全显得尤为重要。

1.2 本课题国内外研究现状和发展趋势
1.2.1国内外研究现状
1. 故障检测系统
受电弓故障监测采用进出库时的离线监测和机车运行中的在线监测，离线监测采用人工检测和自动检测[1]。

经过对该检测系统的实验可得，通过目标提取算法获得了准确的受电弓状态，但是该方法对背景，采光，气动噪声等因素不敏感，即使接触线被挡住也不会导致无法识别和检测。

此系统可以进行弓头碳滑块的损失、滑块的状态，碳滑板磨损状态的检测等。

因为它属于非接触式监控，所以不会影响列车的正常运行。

因此，数字图像处理可用于监测弓头碳滑块的状态，这使得可以动态地监测受电弓的状态。

该技术有助于减少故障发生的概率，保证乘车出行安全。

但是该方法是通过人为进行对比对分析，需要依靠个人的经验来判断关键部件是否发生故障。

我国主要的监测方法为人工检测和关键部件
检测，无法做到全面检测和自动化检测，这使得我国的受电弓检测系统具有很大的局限性。

目前，国内常见的滑板磨耗测量通常是列车入库停车，列检人员登顶使用游标卡尺测量[2]。

这种检测方法因为是人为测量，主观因素较大，检测精度不准，而作业环境处于在高压危险状态，检测师傅存在明显的安全隐患，属于高危职业。

现在，工程师们根据三维视觉检测系统获取的弓头图像，设计了精准的受电弓弓头像素边缘检测算法，实现了复杂图像环境中滑板边缘轮廓的精准定位。

一阶导数边缘检测算子（例如Sobel算子[3]）,Canny 边缘检测算法[4]，以及基于结构森林方法的快速边缘提取[5]。

实验分析表明，该方法具有良好的监测效果和对目标图片信息的获取能力。

与其他获取边缘信息算法相比，该算法有很强的适应性可以获取滑板边缘信息，证明了该方法的可靠性。

这种实时监测的方法虽然可以有效的提前判断故障，及时解决，但是自动化程度不高，还是通过人工判断，存在检测不准确的情况。

世界科技动态，中美两国科学家共同研制出一种具有高强度韧性、超强导电能力的新型石墨烯复合材料，有望替代传统受电弓碳滑块，传统碳滑块有纯碳和符合材料之分，现在世界上普遍使用的滑块种类有：碳、浸金属、碳-金属纤维、碳-铜复合材料。

其中以浸金属性能较好。

随着5G时代的即将到来，新的受电弓故障监测系统也即将问世。

研华发布Corei超低功耗宽温3.5in主板，用于高铁受电弓视频监控[6]。

2. 受电弓改进措施
我国CRH系列高速列车车内外噪声均达不到欧盟铁路噪声标准，噪声的综合治理问题亟需解决[7]。

我国高铁受电弓的噪声问题相关结论：
（1）提出收敛范围，NNLS迭代步数300步，受电弓的计算区域15㎡；
（2）列车在时速250公里以上，后弓工作比前弓工作噪声低1dB；
（3）受电弓在中频段的噪声占比较大，1250Hz占比达近90%；
（4）圆柱扰流发声特性体现在受电弓的部分连接杆中。

结合多种生物的典型结构对杆件表面结构进行仿生设计，对杆件表面的绕流及噪声源分布进行仿真[8]。

通过仿生学模拟，对受电弓杆件进行建模仿真，得出结论：（1）椭圆构造的连接结构件比圆柱形有更好的控制尾流，可以有效的降低空气阻力和噪声；
（2）在有凹槽的椭圆形连接件，有环状波纹结构的器件空气阻力和噪声最低；
（3）若连接件中含有锯齿，迎风状态下可以降低噪声，但阻力要大于背风状态。

为深入研究受电弓与接触网的耦合作用过程中,受电弓各部件所承受的主要载荷特性
[9]。

通过建立弓网模型，对弓网关键部件载荷特性进行分析得出结论：
（1）列车运行速度的加快，碳素滑板所受的激励加快，高频分量增多；
（2）受电弓框架动态载荷是会随着列车运行速度的增加而先增加后减少；
（3）刚性铰连接的四连杆框架，和与它相连接的结构件所受频率相同。

其动态载荷受到接触网的压力和惯性力，不同部件收到不同的力。

中国铁路电气化最近几年发展非常快，但弓网的研究相对落后，受电弓的核心部件还需依赖进口，主要是对国外技术引进、消化吸收及在创新，也取得了较快的发展，改进的新型受电弓优化了框架的动力学性能、降低了收弓高度，有较大的改进，在一群专业的技术人员的维护下，我国的受电弓发展迅猛。

法国、日本和德国高速动车受电弓方面技术较为成熟，都采用了轻量化设计，X型弓头采用纤维材料，法国的CX型、德国的S型受电弓弓网接触压力能随列车速度变化在一定范围内自动调节，日本PS200系列受电弓采用铜基粉末冶金滑板，具有较好的耐磨性和实用性。

1.2.2未来的发展趋势
1.减小弓头的规格
弓头部轮廓太大而增加弓头质量和空气阻力，弓网动态性能会受到影响。

对比法国的高速交流铁路受电弓，目前在中国使用的受电弓的弓形轮廓相对较大，轮廓较小的受电弓能够将受电弓的速度性能提高，但同时也降低了互操作性，这是一个需要解决的问题——减小受电弓弓头轮廓的大小。

2.主动控制
受电弓可以在列车高速行驶时主动控制调节弓网的接触力，用来降低离线概率，电弧现象的发生和滑板的磨损，并确保提升量。

电缆不超过标准要求，受电弓的动态特性将会被改善。

为了实现受电弓的主动控制需要添加必要的相关设备来进行控制。

为了达到弓网系统动态接触力的实时监测，有必要根据滑板下的电缆的高度变化和振动安装各种传感器和执行器，并通过测量受电弓的升力。

在测量弓网接触力的偏差之后实时地执行调节。

最终使弓网的接触力达到行驶要求并保持相对稳定的状态。

3.建立自动化的故障检测系统
目前世界上受电弓的故障判断还是在依靠人为靠着经验进行判断和解决，主观性较强，精确度不高。

设计一套完整的自动故障检测系统成为各个国家的首要任务，该系统需要有较强的兼容性和精准的判断力，能够做到将受电弓全方位多层次的进行实时监测和分析，
做到提前预警，报告故障部位，并能够和控制台沟通故障，合理安排检修时间和地点，真正做到自动化、影响最小化和安全运行最大化。

4.城际铁路建设不断完善
从中国铁路发展总体情况来看，中西部城市城际铁路的建设符合铁路发展的要求，为了实现铁路的完善，发展中西部经济。

第一步，国家大力发展支持中西部地区的经济，而经济建设的第一要点就是路，要致富先修路。

从国家铁路建设的角度来看，一步到位建设完善的国家高速铁路明显是不可能的。

相反，有必要在每个经济发展圈建立城际铁路线，然后连接这些独立的铁路线。

这样，将初步建成全国范围内完善的高速电气化铁路网。

5.建立高铁地铁城际铁路无缝连接的三位一体交通网
如果城市地铁和城际铁路与高铁连接的交通设施不完善，那么高铁上座率将严重不足，将大大浪费能力和财力。

因此，建设一个四通八达的交通建设网十分重要。

真正做到出门通过公交和地铁就能到达高铁，坐上高铁能到达国内任意地方的交通通行网络。

1.3 课题研究的主要工作
本文将以ANSYS软件为仿真计算软件，对于弓网安全性进行相关的仿真，对于受电弓的故障监测进行分析，并对相关的改进措施进行仿真论证，最终实现完善弓网监测系统和改进措施对比分析。

提高受电弓的安全性，保证高铁运行的可靠性，保障人民的生命财产安全，为国家的经济建设提供参考。

1.4 本章小结
本章主要介绍关于受电弓的研究目的和意义，并介绍了国内外相关的研究现状和未来的发展趋势，了解了受电弓的相关问题和研究方向。

介绍了高速铁路在世界经济舞台中的重要地位，并说明了我国高铁建设在世界各国的处于国际先进水平，并提出受电弓故障问题的关键在于结构材料的改进、受电弓结构件的载荷分析和弓网系统受流的稳定性。

并说明本课题研究的方向、作用和意义。

第2章受电弓接触网的主要结构及主要技术参数分析
2.1 接触网的结构分类简介
受电弓是列车获取电能的连接结构，而作为电能的唯一来源和传输线——接触网，它的作用和结构也显得尤为重要。

接触网它能够将变电所传输的电能，通过变压、调相或变流，给动车组提供电能。

根据供电方式的不同可分为如下几种：
图2-1 接触网截面图
2.1.1 直接提供
电能通过接触网直接供给动车组的方法，行驶时产生的回流直接通过车轨回到变电站。

这种方法结构简单，施工方便造价较低，缺点是无法做到电磁平衡，对周边环境和居民影响较大，对于高铁的通信有很大的影响，很少使用。

25KV
图2-2 直流供电接触网示意图
2.1.2 直供、回流提供
相对于直接提供，这种供电方式就是在原有的基础上加了一根专属的回流线，当动车组行驶时，接触网的电流方向和回流线电流方向相反。

这种设计可以减少电磁干扰，减轻对于高铁通信系统和周边环境的影响。

相对于AT、BT减少使用特殊模块，可以方便施工建设，便于检查维护。

25KV
图2-3 支流回流供电接触网示意图
2.1.3 BT供电
BT供电就是在直供、回流提供的基础上每隔4公里加上一个吸流变压器。

这个变压器的匝数比为1：1，通过变压器、回流线的电流和电压与接触网相等，方向相反。

这样可以抵消接触网上的电磁场，减轻对周边环境的影响。

但在实际的测试使用中，由于有间隔，产生的回流还是要经过铁轨，在模块处才能被吸上回流线。

所以接触网上的电流会略大于回流线。

增加了新的模块，加大了施工难度，也增加了维护成本，新的模块不能保证可靠性，所以故障率也比较高。

同时这种供电方式因其特殊的变压器线圈，也增加了电路中整体的阻抗，造成过多的电能浪费，也产生了多余的热量，会更容易发生故障，所以在新建的高铁路线中一般不会采用这种方法。

25KV
图2-4 BT供电接触网示意图
2.1.4 AT供电
这种是将自耦变量器并联在线路中，这种方式的设计既能解决电磁干扰，又能满足高铁的行驶要求。

它增加了正馈线和并联自耦变量器，每间隔10公里左右加一个自耦变量器，可以把接触网划分多个区段，接触网和正馈线组成电路的闭合回路（一去一回）。

这种方式供电的优点有：①供电电压为使用电压的两倍；②电磁干扰性小；③可满足较高时速、较大功率的高铁行驶条件；④可减少变电所的数量，减少建设和运维成本。

50KV
图2-5 AT供电接触网示意图
2.2 受电弓结构和使用简介
根据不同的运行速度和结构要求，受电弓拥有不同的种类。

但是基本上所有受电弓的组成都大致相同，按照其结构特点可以进行如下分类：
如图2-6左所示，因其展开就像是一个菱形框架一般，所以也叫“菱”式受电弓。

这是最早使用的种类，它构造简单，质量较轻，稳定性强，因其出色的升降能力，所以不易发生弓网电弧。

但是这种结构维护成本高，弓网接触压力大，容易造成接触网断裂，在行驶过程中噪声大，所以基本上被淘汰。

2.2.2 字母式
如图2-6右所示，字母式，简单来说他就像是两个受电弓，一大一小拼凑在一起的，下部是一个标准的单臂受电弓，上面是一个缩小版的受电弓，属于双层结构。

在实际使用中，发现它抬升力不好控制，扬力差。

如果力度过大，会造成接触网磨损严重，所以基本上也被淘汰了。

图2-6 双臂式、字母式受电弓实物图
2.2.3 T形
如图2-7左所示，他的结构采用竖直结构，也称垂直式弓。

这种结构设计能有效的减少风阻和噪声，适用于高速运行的铁路列车。

但是美中不足的是，他的造价成本高，维护成本高，出于经济的考虑，也很少使用。

如图2-7右所示，单臂式是如今世界各国使用最为频繁的一种。

他的外形就像是一个“之”字，再加上配合它使用的接触网也是“之”字排布，故也称为“之”字弓。

这种受电弓根据实验和测试，具有较好的空气动力学结构，被广泛使用。

它的体积小，质量小，维修方便，世界各国根据这个结构不断改进，生产出了多种系列，被广泛使用。

图2-7 T形弓和单臂弓实物图
2.2.5 运行示意图
图2-8 受电弓运行示意图
一般高铁上有两个单臂弓，一个使用一个备用，他的装配和运行方向如图2-8所示。

2.2.6 升降弓原理
1. 升弓原理
受电弓抬起时，在电磁阀通电后，压缩后的空气通过气动装置进入受电弓中的气囊和快排阀中，气囊持续充气和升高以完成弓头上升动作。

当压缩空气通过压力调节阀时，它有一个通过快速排放阀（ADD）的气室，受电弓碳滑块提供压缩空气以形成自动弓形保护电路，以稳定升弓状态。

2. 降弓原理
当受电弓受到下降命令时，电磁阀失去电能，阀腔直接连接到大气，快排阀的阀口起作用，并且把用来提升弓头的压缩空气迅速排出。

弓头依靠自身重量来完成弓的下降动作。

直到下降到合适的位置受电弓就会停止下降。

2.2.7 单臂受电弓部件描述
图2-9 CRH380B受电弓
图2-10 单臂受电弓部件及型号示意图
1. 受电弓底架
受电弓底架是用来固定和支撑整个受电弓的平台，他下端连接在行驶的列车上，上端连接受电弓的连接装置和电能获取装置，由于受电弓的质量较重，所以一般要采用刚性较强的材料，还要进行钝化和抗盐雾和湿热处理，以提高受电弓的性能不会被影响。

2. 下臂
下臂一般为钢制结构，是用来承载受电弓的质量，和控制升降弓的力矩，他的长度决定着受电弓能够工作的高度。

通过铰链连接底座和上臂，上面没有导轨钢索，是串联钢索和升弓模块的重要部件，升弓模块可以带动下臂进行绕定轴转动。

内部具有气动导管，连接气动控制装置和弓头模块，共同进行升降弓作业。

3. 上臂
上臂一般为铝合金材质，具有承载弓头重量的作用，可以维持弓头的工作状态，保证升弓高度和接触压力。

4. 下拉杆
用于连接上臂和底架，可以调整受电弓弓头高度和碳滑块的角度和运动轨迹。

5. 上拉杆
上拉杆用于连接下臂和弓头支架，可以保证碳滑块始终处于水平状态，并保持该状态。

6. 平衡系统
平衡系统由稳压阀、气囊、阻尼器和弹性连接轴组成。

可以实时保持受电弓的升弓和降弓状态。

具有稳定受电弓的状态的作用。

阻尼器是连接底座和下臂之间的模块，他能够保证列车在行驶过程中，受电弓与接触网之间的接触压力不会因速度变化而产生过大的变动，起稳定压力的作用。

7. 弓头
弓头位于受电弓部件的顶端位置，他可以借助伸缩的框架进行升降弓的操作，并能够少量地围绕自身做固定轴转动，进行微调，使受电弓和接触网达到最佳的接触状态，保持在一定的接触压力范围内，可以使列车获得稳定的电能来源。

它由碳素滑块、滑块托架、固定装置和相应的支撑部件组成，形成一个完整的弓头部件。

8. 框架
框架是支撑结构件的装置，他的尺寸由指标要求决定，既要符合行驶状态下的受电弓和接触网的接触状态和压力，还要满足升降弓的要求。

一般由上下臂和上下拉杆以及中间的铰连接部件，是整个受电弓进行上下弓操作的具体实施部件，他的可靠性和安全性决定着能否顺利的进行升降弓操作，属于关键件。

9. 传动装置
受电弓升降弓操作的动力来源，根据控制来源不同可以分为液压和气动两种。

并且配以辅助弹簧进行升降弓的辅助驱动。

10. 控制阀
控制阀由电磁阀、快排阀、气囊和稳压阀组成，分为控制模块和气路模块。

控制模块可以实现如下功能：①可以控制受电弓进行升弓操作②可以控制升弓状态下的速度③可以控制降弓状态下的速度④静力状态下对气囊压力的控制⑤可以过滤控制模块中的空气压力⑥使受电弓处于升弓状态在维护过程中⑦将受电弓升降弓的信息采集返回到控制单元中，进行分析和显示。

2.3 弓网的动力学参数
2.3.1 接触网动力学参数
图2-11 京沪高铁接触网系统示意图
1.波的传播速度（c）
（1）波速指波沿接触网传播的速度；
（2）列车可以运行的最快速度与波速有关，一般不大于70%；
（3）计算公式：
根据相关的资料可得CRH380使用的是铜镁合金150mm2的接触线，接触线的张力为31.5 37kN，质量常数为：1333.5kg/km，带入计算可得：
c=3.6√31500
=553km/h
1.3335
=553×70%=387km/h
C
列车
=599km/h
c=3.6√37000
1.3335。