SS4B型電力機(jī)車(chē)PDU受電弓升降保護(hù)裝置的研究

屈春華　喬小平

摘 要：本文闡述了受電弓在機(jī)車(chē)安全運(yùn)行中的重要性，及受電弓的工作原理。針對(duì)直流機(jī)車(chē)因風(fēng)壓不足發(fā)生弓網(wǎng)故障的問(wèn)題，PDU受電弓升降保護(hù)裝置的系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理進(jìn)行了具體說(shuō)明，以避免發(fā)生弓網(wǎng)故障，提高了機(jī)車(chē)運(yùn)行的效率和安全性。

關(guān)鍵詞：工作原理；原則；試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U264 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

電力機(jī)車(chē)在牽引運(yùn)行時(shí)機(jī)車(chē)受電弓和接觸線緊密接觸并需保持一定的接觸力。受電弓是電力機(jī)車(chē)的重要電器元件，承擔(dān)著連接、傳輸電力的作用，在牽引滑動(dòng)時(shí)，其牽引動(dòng)力是從接觸網(wǎng)上來(lái)獲取電流轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的。若是受電弓或接觸網(wǎng)存在著設(shè)備質(zhì)量缺陷，不能滿足安全運(yùn)行的設(shè)備技術(shù)要求，就會(huì)引發(fā)弓網(wǎng)故障。電力機(jī)車(chē)在風(fēng)壓不足的情況下升起受電弓，接觸壓力較低時(shí)可能會(huì)發(fā)生燒斷接觸網(wǎng)線的事故，會(huì)中斷行車(chē)、影響鐵路運(yùn)輸安全。因此，為了防止該事故的發(fā)生，研究電力機(jī)車(chē)受電弓升降保護(hù)裝置是非常必要的。

1. TSG15型受電弓的工作原理

現(xiàn)神朔鐵路機(jī)務(wù)段神華號(hào)交流機(jī)車(chē)和部分直流機(jī)車(chē)安裝的是TSG15型受電弓，該受電弓是一種鉸接式機(jī)械構(gòu)件，是由框架（底架、下臂桿、上框架、拉桿、平衡桿）、升弓裝置、弓頭、氣路控制閥等幾部分組成的空間結(jié)構(gòu)。它從接觸網(wǎng)上集電受流，并將其傳送到機(jī)車(chē)內(nèi)供電機(jī)使用，為電力機(jī)車(chē)的運(yùn)行提供動(dòng)力源。

TSG15型受電弓的升降動(dòng)作主要通過(guò)空氣回路進(jìn)行控制。當(dāng)司機(jī)在司機(jī)室中按下升弓按鈕時(shí)，電磁閥得電，壓縮空氣通過(guò)受電弓氣閥板進(jìn)入氣囊升弓裝置后，使氣囊膨脹抬升，并帶動(dòng)作用于下臂桿的鋼絲繩，鋼絲繩拉拽下臂桿使得弓頭升起并與接觸網(wǎng)接觸。當(dāng)受電弓弓頭與接觸網(wǎng)接觸時(shí)，通過(guò)弓頭上滑板從網(wǎng)線上集取電流，并經(jīng)由受電弓框架將電流傳到底架，最后由底架上的接線端將電流引入車(chē)頂裝置并傳輸?shù)綑C(jī)車(chē)變壓器。

當(dāng)按下降弓按鈕時(shí)，電磁閥失電，切斷供風(fēng)，氣囊升弓裝置中的氣體開(kāi)始被排出，受電弓靠自重下降，最后弓頭保持在受電弓底架的兩個(gè)橡膠止擋上，切斷了接觸網(wǎng)與機(jī)車(chē)之間的電力源供應(yīng)。當(dāng)受電弓滑板磨耗到限或由于刮弓折斷時(shí)，滑板內(nèi)氣腔漏氣，ADD裝置將動(dòng)作，迅速降弓，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)功能。

機(jī)車(chē)壓縮空氣通過(guò)電控閥控制，經(jīng)受電弓氣閥板上的過(guò)濾器進(jìn)入升弓節(jié)流閥，再經(jīng)精密調(diào)壓閥整流后（整流后氣壓380kPa～400kPa）進(jìn)入安全閥、降弓節(jié)流閥然后進(jìn)入受電弓氣囊，使受電弓升弓。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

為實(shí)現(xiàn)良好的弓網(wǎng)關(guān)系，確保鐵路運(yùn)輸安全，需為神朔鐵路機(jī)務(wù)段研制開(kāi)發(fā)一套電力機(jī)車(chē)受電弓升降保護(hù)裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)升弓回路的自動(dòng)監(jiān)控。系統(tǒng)采用傳感器檢測(cè)機(jī)車(chē)升弓回路風(fēng)壓，通過(guò)控制器的邏輯判斷實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的啟停及受電弓的自動(dòng)降弓，從而避免了受電弓與接觸網(wǎng)之間因接觸壓力不足造成拉弧而產(chǎn)生接觸網(wǎng)硬點(diǎn)甚至燒斷接觸網(wǎng)的事故，因此設(shè)計(jì)原則如下：

對(duì)機(jī)車(chē)升弓回路風(fēng)壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在必要時(shí)給出報(bào)警或自動(dòng)降弓信號(hào)；少改動(dòng)機(jī)車(chē)結(jié)構(gòu)，操作簡(jiǎn)單化；具有抗干擾保護(hù)措施；本裝置故障時(shí)，具有裝置故障切除保護(hù)功能，不影響機(jī)車(chē)正常使用。

3. PDU受電弓升降保護(hù)裝置組成及主要功能

PDU受電弓升降保護(hù)裝置，是一種專(zhuān)門(mén)用于機(jī)車(chē)的可編程邏輯控制裝置，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)車(chē)升弓回路風(fēng)壓，根據(jù)風(fēng)壓限值，執(zhí)行受電弓升降動(dòng)作，保障受電弓的安全升降，避免燒損接觸網(wǎng)等風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 PDU受電弓升降保護(hù)裝置組成

如圖1所示，PDU受電弓升降保護(hù)裝置由壓力傳感器、控制器組成，具備獨(dú)立升降弓保護(hù)功能，同時(shí)也可以配合LCU實(shí)現(xiàn)具體功能。在機(jī)車(chē)制動(dòng)柜內(nèi)的控制風(fēng)管上加裝壓力傳感器，傳感器由模擬量控制器供電，控制器采集到傳感器的420mA電流信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、濾波后，根據(jù)壓力值和控制邏輯生成110V的控制信號(hào)，該信號(hào)可以給LCU或自行根據(jù)壓力開(kāi)關(guān)信號(hào)控制機(jī)車(chē)上其他相關(guān)設(shè)備。

3.2 裝置內(nèi)部組成

PDU受電弓升降保護(hù)裝置主要由AD采集模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、主控制器模塊構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)管道壓力監(jiān)測(cè)，機(jī)車(chē)DC110V信號(hào)控制信號(hào)采集。

PDU裝置是一種可編程邏輯器件，通過(guò)微控制器芯片實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制功能，同時(shí)驅(qū)動(dòng)LED顯示模塊顯示風(fēng)缸壓力值以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄功能。AD采集模塊是PDU受電弓升降保護(hù)裝置的關(guān)鍵部件，采集來(lái)自壓力變送器的電流模擬量信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成控制器芯片可以處理的數(shù)字量信號(hào)。

PDU裝置設(shè)計(jì)了4路AD采集通道，其中1路用于風(fēng)缸壓力檢測(cè)，其余3路預(yù)留。另外，采集來(lái)自機(jī)車(chē)的控制信號(hào)，包括壓縮機(jī)板件開(kāi)關(guān)信號(hào)、劈相機(jī)完成信號(hào)等，并通過(guò)6路數(shù)字量輸出通道輸出DC110V電平信號(hào)驅(qū)動(dòng)受電弓電控閥、壓縮機(jī)接觸器、主斷路器等負(fù)載，完成獨(dú)立升降弓保護(hù)功能。為了實(shí)現(xiàn)該裝置的隔離功能，第一路輸出通道設(shè)計(jì)為獨(dú)立電源通道。當(dāng)PDU面板上的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)處在隔離位時(shí)，第一路通道輸出由外部電源獨(dú)立控制，不受PDU影響，同時(shí)關(guān)斷其他通道電源，實(shí)現(xiàn)該裝置的隔離。此時(shí)除了風(fēng)壓顯示外，該裝置不對(duì)外執(zhí)行任何控制功能。

3.3 工作原理

PDU受電弓升降保護(hù)裝置監(jiān)測(cè)機(jī)車(chē)升弓回路風(fēng)壓，當(dāng)風(fēng)壓低于440kPa時(shí)司機(jī)室給升弓命令，受電弓無(wú)法升起，當(dāng)風(fēng)壓值大于440kPa時(shí)，受電弓則會(huì)升起，避免因壓力不足，受電弓沒(méi)有完全升起，處在與電網(wǎng)懸浮狀態(tài)的前提下，機(jī)車(chē)起動(dòng)負(fù)載后，導(dǎo)致電網(wǎng)強(qiáng)“拉弧”燒斷接觸網(wǎng)、損壞受電弓的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)機(jī)車(chē)在運(yùn)行中，受電弓處在升起狀態(tài)，PDU監(jiān)測(cè)升弓回路風(fēng)壓低于440kPa，裝置優(yōu)先執(zhí)行跳主斷，再降弓，避免機(jī)車(chē)帶全負(fù)載降弓導(dǎo)致“拉弧放炮”或接觸壓力不足存在燒損接觸網(wǎng)或受電弓的風(fēng)險(xiǎn)。

在劈相機(jī)起來(lái)后，壓縮機(jī)指令不受司機(jī)室開(kāi)關(guān)控制，默認(rèn)為起動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)，總風(fēng)缸大于900kPa時(shí)停止壓縮機(jī)，避免因人為忘記給壓縮機(jī)指令，從而導(dǎo)致總風(fēng)缸壓力下降，機(jī)車(chē)受電弓帶全載降弓、燒損接觸網(wǎng)等風(fēng)險(xiǎn)。

PDU受電弓升降保護(hù)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并數(shù)字顯示受電弓氣路壓力，給乘務(wù)人員提供參考，當(dāng)PDU面板上的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)處在隔離位時(shí)，除風(fēng)壓力顯示外，裝置其他功能均被隔離，不會(huì)影響機(jī)車(chē)運(yùn)行。

PDU具有故障日志記錄功能，實(shí)時(shí)記錄輸入、輸出通道狀態(tài)及管道氣壓值，給故障分析帶來(lái)參考依據(jù)。

3.4 應(yīng)用說(shuō)明

PDU裝置安裝在制動(dòng)機(jī)柜中，裝置上數(shù)碼顯示管顯示的是受電弓氣壓回路壓力值（單位：kPa）。機(jī)車(chē)正常運(yùn)行中，PDU裝置上的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)應(yīng)處在“自動(dòng)”檔，當(dāng)發(fā)生以下情況時(shí)司機(jī)需將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到“隔離”位。一是當(dāng)受電弓升不起時(shí)，司機(jī)可以去制動(dòng)柜觀察PDU裝置數(shù)碼管的顯示：若未顯示故障代碼，數(shù)值大于450（kPa）還不能升起受電弓，則可嘗試將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)從“自動(dòng)“轉(zhuǎn)到“隔離”位，再?lài)L試升弓動(dòng)作。二是當(dāng)PDU裝置出現(xiàn)以下故障代碼時(shí)，可嘗試將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到隔離位再?lài)L試升弓：①壓力傳感器故障，故障碼E-01；②主斷分通道故障，故障碼E-02；③壓縮機(jī)自起通道故障，故障碼E-03；④AD采樣通道故障，故障碼E-04。

3.5 裝置試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)輔助缸風(fēng)壓進(jìn)行控制，當(dāng)PDU顯示氣壓回路小于440kPa時(shí)，通過(guò)司機(jī)室給升弓命令，受電弓無(wú)法升起，通過(guò)輔助壓縮機(jī)進(jìn)行打風(fēng)，當(dāng)PDU監(jiān)測(cè)的風(fēng)壓值大于440kPa時(shí)，受電弓則會(huì)升起。機(jī)車(chē)進(jìn)行欠壓隔離后，在受電弓升起并且主斷合上的狀態(tài)下通過(guò)對(duì)輔助缸風(fēng)壓進(jìn)行控制，當(dāng)PDU顯示受電弓氣壓回路小于440kPa時(shí)，PDU將執(zhí)行跳主斷，再降弓動(dòng)作。受電弓升起，合主斷，起劈相機(jī)，在壓縮機(jī)開(kāi)關(guān)不閉合的前提下，壓縮機(jī)自動(dòng)起動(dòng)，進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)。

結(jié)語(yǔ)

受電弓是機(jī)車(chē)的重要電器元件，擔(dān)任著電能傳輸?shù)氖姑?，其重要性毋庸置疑。依靠科技進(jìn)步與創(chuàng)新，不斷解決制約重載技術(shù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，研究重載機(jī)車(chē)各部分裝置，保證重載運(yùn)輸安全，是時(shí)代發(fā)展的需要。本文對(duì)受電弓的工作原理、SS4B直流機(jī)車(chē)PDU受電弓升降保護(hù)裝置的系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。該裝置2015年8月在SS4B型89#機(jī)車(chē)上裝車(chē)試用，運(yùn)用至今，該裝置運(yùn)用可靠，提高了機(jī)車(chē)運(yùn)行的效率和安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]張平生.機(jī)車(chē)受電弓常見(jiàn)故障原因分析及處理[J].電力機(jī)車(chē)技術(shù)，2001（4）：55-56.

[2]莫堅(jiān). SS9改進(jìn)型機(jī)車(chē)受電弓及主斷路器控制電路的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2007（3）：71-73.