高速动车组轴端接地装置选型及磨损性能分析

1、    高速动车组轴端接地装置选型及磨损性能分析    刘兆金+李国栋摘 要：我国铁路已经步入了高铁时代，接地装置是高铁的关键零部件之一，本文结合接地装置的应用情况，总结了接地装置发生的常见问题，分析了这些问题产生的原因，即提供了大量接地装置应用实例，也深入分析了这些问题产生的根源，对接地装置的应用研发和理论研究，提供了参考。关键词：高速铁路；动车组；转向架；接地装置doi：10.16640/ki.37-1222/t.2017.16.1131 引言随着我国经济迅猛发展，我国铁路建设也步入了“高速时代”。五次大提速带来的经济和社会效益更加证明了高速铁路在我

2、国的强大的生命力和广阔的发展空间。在高速铁路跨越式发展的同时，各系统的安全性、可靠性已然成为至关重要的一环，这也是我国发展高速铁路的基石。转向架作为高速动车组九大关键技术最为核心的技术之一，为车辆提供了良好的稳定性和运行安全性。纵观高速铁路投入运用的10年，在引进、消化、吸收国外先进技术的过程中，不断的遇到问题、分析问题、解决问题。高速动车组旋转部件，由于其高速旋转的特殊性，同时又是直接与轨道接触的部件，发生故障故障的可能性较大，问题发生后非常难以解决。在交流电气化铁路接触网中，列车通过受电弓碳滑板获得电力，通过牵引电机产生驱动力。牵引电流经车轮、轨道和大地回到变电所。为了防止转向架轴箱和齿轮

3、箱轴承通过电流而产生电蚀，在转向架的轴端安装了接地装置，从而使所有电流通过该接地装置流向车轮，最后流向钢轨和大地。接地装置是整车接地系统的一个重要环节，同时安装在高速旋转的轴端，自身在运用中又通过较大的电流，涉及了机械工程、电学、材料学、摩擦学等数门学科，能够正常可靠的工作对列车的安全运用尤为重要。2 概述各型高速动车组轴端接地装置主要包括碳刷、摩擦盘、碳刷保持架、恒力弹簧、接地盖、电缆等。碳刷、摩擦盘和恒力弹簧作为一对摩擦副（如图2-1所示），是整个接地装置最为核心的部件，也是通过电流的关键环节。选择合适的材料，能够减少碳刷和摩擦盘在运用过程中的磨损。同时改善摩擦副表面润滑性能也是提高碳刷和

4、摩擦盘使用寿命的重要手段。3 接地装置选型3.1 恒力弹簧选型碳刷与摩擦盘的磨耗直接取决于碳刷与摩擦盘之间的机械磨耗和电磨耗，当恒力弹簧压力由小变大时，按刷机械磨耗不断增加，而电磨耗不断降低；而电流与摩擦副的磨损率基本呈线性关系，电流磨耗量则越大。碳刷磨耗率如图3-1所示，机械磨耗和电磨耗可以拟合为一条碳刷磨耗曲线，即图中红色曲线。曲线最低点为碳刷最小磨耗点，此处的恒力弹簧压力，即为摩擦副最佳弹簧压力，该弹簧力是基于机械磨耗和电磨耗折中考虑的。高速动车组接地装置在运用过程中，由于存在横向振动，从而使碳刷存在脱离摩擦盘的惯性力，因此，选择合适的弹簧力对接地装置尤为重要。合适的弹簧力既能保证适当的

5、机械磨耗和电磨耗，又能有效避免碳刷在列车运用过程中脱离摩擦盘而产生拉弧。3.2 碳刷选型高速动车组轴端接地装置多为石墨和铜粉经粉末冶金工艺制备而成，碳刷中铜粉和石墨粉含量是碳刷选型的核心，铜粉含量越大，导电性越好，但润滑性能相对较差；石墨粉含量越大，润滑性能越好，而導电性能相对较差。铜粉多采用高纯度的电解铜，铜颗粒过大，烧结后石墨不易形成网状结构，在运用过程中容易产生粘着磨损，是磨耗速率加大；而铜颗粒过小，容易导致碳刷机械强度降低。颗粒大小须合适。石墨粉粒度过小，石墨表面积越大，碳刷中的空隙越多，机械强度越低；石墨粒度越大，对材料割裂就越严重，机械强度也降低。所以在混料前，须将铜粉和石墨粉过规

6、定目数的筛子，确保其碳粉和铜粉粒度大小适宜。由于轴端振动较大，运用工况比较复杂，对碳刷机械性能要求较高。而铜相对较软，在摩擦过程中容易出现变形，同时为了提高摩擦面耐磨性，需要添加微量元素，以提高碳刷强度、硬度和耐磨性。3.3 摩擦盘选型高速动车组轴端接地装置摩擦盘采用材质不尽相同，有锡青铜、锌黄铜和不锈钢等。可采取铸造和锻造方式获得，铸造工艺生产效率高、生产成本低，但初期成品率低、易形成缩孔、一致性差；锻造工艺摩擦盘致密、一致性好、成品率高，但生产成本高、生产效率相对较低。锡青铜主要成分为cu、sn、ni、pb等，其中cu主要起导电作用、sn主要起润滑作用并增加硬度和耐腐蚀性、pb可改善切削性

7、和耐磨性、ni能够增加强度和耐磨性。国内外锡青铜摩擦盘中sn含量各不相同，如cusn6、cusn8、cusn9、cusn10、cusn12等，随着sn含量增加，摩擦盘硬度相应增加，但摩擦盘中sn含量不易过大，超过12%将会是摩擦盘铸造成品率大大降低，cusn12的成品率比cusn6摩擦盘成品率低约20%。摩擦盘中的铜应采用纯度较高的电解铜，且不能使用回收铜。回收铜将导致摩擦盘中存在杂质成分或硬相，可能导致接地装置的异常磨损。无论选用哪种材质摩擦盘，最重要是选用与之相匹配的碳刷。在对摩擦盘进行设计时，应考虑与轴箱或接地装置外壳形成相对密封的空腔，避免摩擦副产生的粉末进入轴承，使轴承润滑不良，最终

8、导致热轴。3.4 接地装置结构设计在对摩擦盘进行设计时，应考虑与轴箱或接地装置外壳形成相对密封的空腔，避免摩擦副产生的粉末进入轴承，使轴承润滑不良，最终导致热轴。为了避免接地装置在工作时碳刷保持架与摩擦盘干涉，在设计时需要考虑轴承轴向游隙以及轴端各零部件公差，尽量将碳刷伸出刷架长度控制在2.5mm至3mm之间。4 接地装置磨损性能分析碳刷和摩擦盘在正常磨耗过程中，将会在摩擦盘表面形成一层稳定的氧化膜（见图4-1）。在摩擦过程中，氧化膜呈现为一种平衡状态。氧化膜主要成分为氧化铜、氧化亚铜、石墨，其中氧化铜和石墨都是一种层状结构，有利于降低磨耗，氧化亚铜是形成氧化铜过程的一个中间产物。endpri

9、nt影响接地装置碳刷和摩擦盘磨损的因素很多，包括摩擦盘与碳刷的匹配、相对转速、摩擦盘表面清洁度、温度、空气湿度和接地电流等等，最终导致异常磨损的结果是氧化膜未形成或形成后遭到破坏。对高速动车组而言，碳刷与摩擦盘的相对转速是由列车速度决定的，是接地装置设计和选型的前提条件；而摩擦盘表面清洁度与装配工艺相关；所以分析接地装置异常磨损主要分析碳刷与摩擦盘是否匹配、摩擦副温度、通过接地装置电流是否合适等。4.1 摩擦副碳刷、恒力弹簧和摩擦盘是一套摩擦副，接地装置使用寿命主要取决于摩擦副是否能够正常工作。摩擦副是否匹配除了在选型时有充分的理论依据，还需要通过大量的磨耗对比试验进行验证。同一套摩擦副，至少

10、要进行非载流、载中等电流、载大电流3中公况的磨耗试验。通过对比不同方案的碳刷，選取与摩擦盘最为匹配的作为最终方案。在进行磨耗试验过程中，需要以列车最高运营速度进行试验，同时增加风源，模拟列车运行速度产生的相对风速（不考虑自然风）。由于摩擦盘属于金属铸造件，可以通过适当的试验方法准确测量其硬度。而碳刷属于粉末冶金制品，需要通过特殊方法检测其硬度。转化为布氏硬度后，摩擦盘硬度应至少为碳刷硬度的2倍，否则很容易导致异常磨损。4.2 电流列车在运行过程中，电流通过受电弓到牵引变流器，通过到轴端接地再到钢轨和大地，如图4-2所示。当列车通过绝缘节时，钢轨电流又会从后车接地装置回到车上，通过车间电缆到前车

11、接地装置再流到钢轨。通过对列车接地装置通过电流测试可以看出，头车电流高于中间车，重联头车电流高于标准列头车电流（约为2倍）。目前高速动车组运用最高速度可达350km/h，在动拖比一定的情况下，随着运用速度的提高，列车所需牵引功率也越大，从而使列车通过的电流也增大。从图4-2可以看出，通过接地装置电流越大，接地装置磨耗速率越高，从而接地装置使用寿命也相对越短。车轮多边形主要表现在轴端振动异常，当车轮发生多边形时，会导致该车轮或所在轮对与钢轨接触力呈周期性变化，所以接触电阻值呈周期性变化，使同一辆车各车轮阻值存在差异，最终使各轴端接地装置通过电流产生差异，进而影响接地装置寿命。由于碳刷与保持架存在

12、间隙，异常的轴端振动使碳刷相对于保持架的冲击力增大，如碳刷强度不足，可能会导致碳刷掉块。但从各型动车组轴端接地装置运用情况看，车轮多边形对接地装置使用寿命影响有限，更多的取决于接地装置自身摩擦副匹配。4.3 温度摩擦副在列车运行过程中会产生大量的热，一部分是摩擦产生的热，一部分是通过电流产生的热。温度升高，锡青铜表面硬度将会下降，摩擦盘也就越不耐磨。通过大量的磨耗对比试验数据可以看出，良好的摩擦副摩擦面温度相对较低，而相对较差的摩擦副摩擦面温度相对较高。一般在不通电的磨耗试验中，摩擦面温度基本在50左右。通电的磨耗则根据摩擦副选用材料的不同和通过电流大小不同而差异较大，有的可在60至70，有的

13、则可超过100，甚至超过140。当摩擦面温度超过140时，碳刷和摩擦盘磨损速率将急剧升高。好的摩擦副可在通过大电流的同时，将摩擦副温度控制的很低。另外，在进行接地装置设计过程中，可从结构和选材上考虑，尽量保证接地装置散热良好，以降低摩擦副产生的热量，从而延长接地装置使用寿命。4.4 空气湿度空气中的水，是碳刷和摩擦盘形成氧化膜的必要条件。在相对干燥条件下，碳刷和摩擦盘间的氧化膜则不易形成。对高速动车组近几年轴端接地装置磨耗量统计发现，每年12月至3月间，容易发生接地装置异常磨损，且配属华北地区车组高于配属其他地区车组。对近几年全国各地区空气湿度进行对比发现，华北地区在12月至3月间，空气湿度相