劉兆金+李國(guó)棟

摘 要：我國(guó)鐵路已經(jīng)步入了高鐵時(shí)代，接地裝置是高鐵的關(guān)鍵零部件之一，本文結(jié)合接地裝置的應(yīng)用情況，總結(jié)了接地裝置發(fā)生的常見(jiàn)問(wèn)題，分析了這些問(wèn)題產(chǎn)生的原因，即提供了大量接地裝置應(yīng)用實(shí)例，也深入分析了這些問(wèn)題產(chǎn)生的根源，對(duì)接地裝置的應(yīng)用研發(fā)和理論研究，提供了參考。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；動(dòng)車組；轉(zhuǎn)向架；接地裝置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.113

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，我國(guó)鐵路建設(shè)也步入了“高速時(shí)代”。五次大提速帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益更加證明了高速鐵路在我國(guó)的強(qiáng)大的生命力和廣闊的發(fā)展空間。在高速鐵路跨越式發(fā)展的同時(shí)，各系統(tǒng)的安全性、可靠性已然成為至關(guān)重要的一環(huán)，這也是我國(guó)發(fā)展高速鐵路的基石。轉(zhuǎn)向架作為高速動(dòng)車組九大關(guān)鍵技術(shù)最為核心的技術(shù)之一，為車輛提供了良好的穩(wěn)定性和運(yùn)行安全性?？v觀高速鐵路投入運(yùn)用的10年，在引進(jìn)、消化、吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的過(guò)程中，不斷的遇到問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。高速動(dòng)車組旋轉(zhuǎn)部件，由于其高速旋轉(zhuǎn)的特殊性，同時(shí)又是直接與軌道接觸的部件，發(fā)生故障故障的可能性較大，問(wèn)題發(fā)生后非常難以解決。在交流電氣化鐵路接觸網(wǎng)中，列車通過(guò)受電弓碳滑板獲得電力，通過(guò)牽引電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。牽引電流經(jīng)車輪、軌道和大地回到變電所。為了防止轉(zhuǎn)向架軸箱和齒輪箱軸承通過(guò)電流而產(chǎn)生電蝕，在轉(zhuǎn)向架的軸端安裝了接地裝置，從而使所有電流通過(guò)該接地裝置流向車輪，最后流向鋼軌和大地。接地裝置是整車接地系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，同時(shí)安裝在高速旋轉(zhuǎn)的軸端，自身在運(yùn)用中又通過(guò)較大的電流，涉及了機(jī)械工程、電學(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)等數(shù)門學(xué)科，能夠正?？煽康墓ぷ鲗?duì)列車的安全運(yùn)用尤為重要。

2 概述

各型高速動(dòng)車組軸端接地裝置主要包括碳刷、摩擦盤、碳刷保持架、恒力彈簧、接地蓋、電纜等。碳刷、摩擦盤和恒力彈簧作為一對(duì)摩擦副（如圖2-1所示），是整個(gè)接地裝置最為核心的部件，也是通過(guò)電流的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。選擇合適的材料，能夠減少碳刷和摩擦盤在運(yùn)用過(guò)程中的磨損。同時(shí)改善摩擦副表面潤(rùn)滑性能也是提高碳刷和摩擦盤使用壽命的重要手段。

3 接地裝置選型

3.1 恒力彈簧選型

碳刷與摩擦盤的磨耗直接取決于碳刷與摩擦盤之間的機(jī)械磨耗和電磨耗，當(dāng)恒力彈簧壓力由小變大時(shí)，按刷機(jī)械磨耗不斷增加，而電磨耗不斷降低；而電流與摩擦副的磨損率基本呈線性關(guān)系，電流磨耗量則越大。碳刷磨耗率如圖3-1所示，機(jī)械磨耗和電磨耗可以擬合為一條碳刷磨耗曲線，即圖中紅色曲線。曲線最低點(diǎn)為碳刷最小磨耗點(diǎn)，此處的恒力彈簧壓力，即為摩擦副最佳彈簧壓力，該彈簧力是基于機(jī)械磨耗和電磨耗折中考慮的。高速動(dòng)車組接地裝置在運(yùn)用過(guò)程中，由于存在橫向振動(dòng)，從而使碳刷存在脫離摩擦盤的慣性力，因此，選擇合適的彈簧力對(duì)接地裝置尤為重要。合適的彈簧力既能保證適當(dāng)?shù)臋C(jī)械磨耗和電磨耗，又能有效避免碳刷在列車運(yùn)用過(guò)程中脫離摩擦盤而產(chǎn)生拉弧。

3.2 碳刷選型

高速動(dòng)車組軸端接地裝置多為石墨和銅粉經(jīng)粉末冶金工藝制備而成，碳刷中銅粉和石墨粉含量是碳刷選型的核心，銅粉含量越大，導(dǎo)電性越好，但潤(rùn)滑性能相對(duì)較差；石墨粉含量越大，潤(rùn)滑性能越好，而導(dǎo)電性能相對(duì)較差。銅粉多采用高純度的電解銅，銅顆粒過(guò)大，燒結(jié)后石墨不易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在運(yùn)用過(guò)程中容易產(chǎn)生粘著磨損，是磨耗速率加大；而銅顆粒過(guò)小，容易導(dǎo)致碳刷機(jī)械強(qiáng)度降低。顆粒大小須合適。石墨粉粒度過(guò)小，石墨表面積越大，碳刷中的空隙越多，機(jī)械強(qiáng)度越低；石墨粒度越大，對(duì)材料割裂就越嚴(yán)重，機(jī)械強(qiáng)度也降低。所以在混料前，須將銅粉和石墨粉過(guò)規(guī)定目數(shù)的篩子，確保其碳粉和銅粉粒度大小適宜。

由于軸端振動(dòng)較大，運(yùn)用工況比較復(fù)雜，對(duì)碳刷機(jī)械性能要求較高。而銅相對(duì)較軟，在摩擦過(guò)程中容易出現(xiàn)變形，同時(shí)為了提高摩擦面耐磨性，需要添加微量元素，以提高碳刷強(qiáng)度、硬度和耐磨性。

3.3 摩擦盤選型

高速動(dòng)車組軸端接地裝置摩擦盤采用材質(zhì)不盡相同，有錫青銅、鋅黃銅和不銹鋼等。可采取鑄造和鍛造方式獲得，鑄造工藝生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低，但初期成品率低、易形成縮孔、一致性差；鍛造工藝摩擦盤致密、一致性好、成品率高，但生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率相對(duì)較低。錫青銅主要成分為Cu、Sn、Ni、Pb等，其中Cu主要起導(dǎo)電作用、Sn主要起潤(rùn)滑作用并增加硬度和耐腐蝕性、Pb可改善切削性和耐磨性、Ni能夠增加強(qiáng)度和耐磨性。

國(guó)內(nèi)外錫青銅摩擦盤中Sn含量各不相同，如CuSn6、CuSn8、CuSn9、CuSn10、CuSn12等，隨著Sn含量增加，摩擦盤硬度相應(yīng)增加，但摩擦盤中Sn含量不易過(guò)大，超過(guò)12%將會(huì)是摩擦盤鑄造成品率大大降低，CuSn12的成品率比CuSn6摩擦盤成品率低約20%。摩擦盤中的銅應(yīng)采用純度較高的電解銅，且不能使用回收銅?；厥浙~將導(dǎo)致摩擦盤中存在雜質(zhì)成分或硬相，可能導(dǎo)致接地裝置的異常磨損。無(wú)論選用哪種材質(zhì)摩擦盤，最重要是選用與之相匹配的碳刷。

在對(duì)摩擦盤進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮與軸箱或接地裝置外殼形成相對(duì)密封的空腔，避免摩擦副產(chǎn)生的粉末進(jìn)入軸承，使軸承潤(rùn)滑不良，最終導(dǎo)致熱軸。

3.4 接地裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)摩擦盤進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮與軸箱或接地裝置外殼形成相對(duì)密封的空腔，避免摩擦副產(chǎn)生的粉末進(jìn)入軸承，使軸承潤(rùn)滑不良，最終導(dǎo)致熱軸。

為了避免接地裝置在工作時(shí)碳刷保持架與摩擦盤干涉，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮軸承軸向游隙以及軸端各零部件公差，盡量將碳刷伸出刷架長(zhǎng)度控制在2.5mm至3mm之間。

4 接地裝置磨損性能分析

碳刷和摩擦盤在正常磨耗過(guò)程中，將會(huì)在摩擦盤表面形成一層穩(wěn)定的氧化膜（見(jiàn)圖4-1）。在摩擦過(guò)程中，氧化膜呈現(xiàn)為一種平衡狀態(tài)。氧化膜主要成分為氧化銅、氧化亞銅、石墨，其中氧化銅和石墨都是一種層狀結(jié)構(gòu)，有利于降低磨耗，氧化亞銅是形成氧化銅過(guò)程的一個(gè)中間產(chǎn)物。endprint

影響接地裝置碳刷和摩擦盤磨損的因素很多，包括摩擦盤與碳刷的匹配、相對(duì)轉(zhuǎn)速、摩擦盤表面清潔度、溫度、空氣濕度和接地電流等等，最終導(dǎo)致異常磨損的結(jié)果是氧化膜未形成或形成后遭到破壞。對(duì)高速動(dòng)車組而言，碳刷與摩擦盤的相對(duì)轉(zhuǎn)速是由列車速度決定的，是接地裝置設(shè)計(jì)和選型的前提條件；而摩擦盤表面清潔度與裝配工藝相關(guān)；所以分析接地裝置異常磨損主要分析碳刷與摩擦盤是否匹配、摩擦副溫度、通過(guò)接地裝置電流是否合適等。

4.1 摩擦副

碳刷、恒力彈簧和摩擦盤是一套摩擦副，接地裝置使用壽命主要取決于摩擦副是否能夠正常工作。摩擦副是否匹配除了在選型時(shí)有充分的理論依據(jù)，還需要通過(guò)大量的磨耗對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。同一套摩擦副，至少要進(jìn)行非載流、載中等電流、載大電流3中公況的磨耗試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比不同方案的碳刷，選取與摩擦盤最為匹配的作為最終方案。在進(jìn)行磨耗試驗(yàn)過(guò)程中，需要以列車最高運(yùn)營(yíng)速度進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)增加風(fēng)源，模擬列車運(yùn)行速度產(chǎn)生的相對(duì)風(fēng)速（不考慮自然風(fēng)）。

由于摩擦盤屬于金屬鑄造件，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方法準(zhǔn)確測(cè)量其硬度。而碳刷屬于粉末冶金制品，需要通過(guò)特殊方法檢測(cè)其硬度。轉(zhuǎn)化為布氏硬度后，摩擦盤硬度應(yīng)至少為碳刷硬度的2倍，否則很容易導(dǎo)致異常磨損。

4.2 電流

列車在運(yùn)行過(guò)程中，電流通過(guò)受電弓到牽引變流器，通過(guò)到軸端接地再到鋼軌和大地，如圖4-2所示。當(dāng)列車通過(guò)絕緣節(jié)時(shí)，鋼軌電流又會(huì)從后車接地裝置回到車上，通過(guò)車間電纜到前車接地裝置再流到鋼軌。通過(guò)對(duì)列車接地裝置通過(guò)電流測(cè)試可以看出，頭車電流高于中間車，重聯(lián)頭車電流高于標(biāo)準(zhǔn)列頭車電流（約為2倍）。

目前高速動(dòng)車組運(yùn)用最高速度可達(dá)350km/h，在動(dòng)拖比一定的情況下，隨著運(yùn)用速度的提高，列車所需牽引功率也越大，從而使列車通過(guò)的電流也增大。從圖4-2可以看出，通過(guò)接地裝置電流越大，接地裝置磨耗速率越高，從而接地裝置使用壽命也相對(duì)越短。

車輪多邊形主要表現(xiàn)在軸端振動(dòng)異常，當(dāng)車輪發(fā)生多邊形時(shí)，會(huì)導(dǎo)致該車輪或所在輪對(duì)與鋼軌接觸力呈周期性變化，所以接觸電阻值呈周期性變化，使同一輛車各車輪阻值存在差異，最終使各軸端接地裝置通過(guò)電流產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響接地裝置壽命。由于碳刷與保持架存在間隙，異常的軸端振動(dòng)使碳刷相對(duì)于保持架的沖擊力增大，如碳刷強(qiáng)度不足，可能會(huì)導(dǎo)致碳刷掉塊。但從各型動(dòng)車組軸端接地裝置運(yùn)用情況看，車輪多邊形對(duì)接地裝置使用壽命影響有限，更多的取決于接地裝置自身摩擦副匹配。

4.3 溫度

摩擦副在列車運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，一部分是摩擦產(chǎn)生的熱，一部分是通過(guò)電流產(chǎn)生的熱。溫度升高，錫青銅表面硬度將會(huì)下降，摩擦盤也就越不耐磨。通過(guò)大量的磨耗對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，良好的摩擦副摩擦面溫度相對(duì)較低，而相對(duì)較差的摩擦副摩擦面溫度相對(duì)較高。一般在不通電的磨耗試驗(yàn)中，摩擦面溫度基本在50℃左右。通電的磨耗則根據(jù)摩擦副選用材料的不同和通過(guò)電流大小不同而差異較大，有的可在60℃至70℃，有的則可超過(guò)100℃，甚至超過(guò)140℃。當(dāng)摩擦面溫度超過(guò)140℃時(shí)，碳刷和摩擦盤磨損速率將急劇升高。好的摩擦副可在通過(guò)大電流的同時(shí)，將摩擦副溫度控制的很低。

另外，在進(jìn)行接地裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，可從結(jié)構(gòu)和選材上考慮，盡量保證接地裝置散熱良好，以降低摩擦副產(chǎn)生的熱量，從而延長(zhǎng)接地裝置使用壽命。

4.4 空氣濕度

空氣中的水，是碳刷和摩擦盤形成氧化膜的必要條件。在相對(duì)干燥條件下，碳刷和摩擦盤間的氧化膜則不易形成。對(duì)高速動(dòng)車組近幾年軸端接地裝置磨耗量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，每年12月至3月間，容易發(fā)生接地裝置異常磨損，且配屬華北地區(qū)車組高于配屬其他地區(qū)車組。對(duì)近幾年全國(guó)各地區(qū)空氣濕度進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)在12月至3月間，空氣濕度相對(duì)較低，首都北京在1月至2月的某段時(shí)間，空氣濕度可低至10%。

5 結(jié)論

依據(jù)文中分析可以得出如下結(jié)論：

（1）接地裝置的關(guān)鍵技術(shù)與關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)在于摩擦副，摩擦副由摩擦盤、碳刷、恒力彈簧組成，摩擦副中摩擦盤、碳刷的匹配性很關(guān)鍵，恒力彈簧的選擇需適應(yīng)動(dòng)車組的振動(dòng)狀況。

（2）服役條件包含電流、溫度、動(dòng)車組振動(dòng)狀況是接地裝置需要考慮的應(yīng)用指標(biāo)。

（3）接地裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是平衡技術(shù)指標(biāo)與應(yīng)用指標(biāo)的關(guān)鍵。

作者簡(jiǎn)介：劉兆金（1986-），男，黑龍江人，本科，工程師，研究方向：高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架零部件。endprint