趙 慧 路學(xué)海 杜金峰 郭 歡

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

0 引言

根據(jù)動車組接地系統(tǒng)的安裝部位及工作模式不同，可以分為軸端端磨接地、軸端環(huán)磨接地、軸身環(huán)磨接地三種接地裝置[1]。我國自主研發(fā)的復(fù)興號系列動車組，均安裝有軸身環(huán)磨形式的接地裝置，即齒輪箱接地裝置，該結(jié)構(gòu)接地裝置還應(yīng)用于和諧號CRH2、CRH6型等動車組。齒輪箱接地裝置隨齒輪箱安裝在動車轉(zhuǎn)向架的車軸上，其工作原理為：車體或電機經(jīng)導(dǎo)線線纜連接接地裝置支架板，漏電電流隨后流經(jīng)碳刷架，并通過碳刷將電流傳遞至集電環(huán)和車軸，最后通過車輪與鋼軌形成接地回路。其中，碳刷是接地裝置的關(guān)鍵部件，承擔(dān)車體或電機和車軸轉(zhuǎn)動部分之間傳遞電流的作用。

在動車組實際運用過程中，漏電電流大小差異、線路振動、環(huán)境溫濕度變化等都給碳刷使用的穩(wěn)定性帶來較嚴苛的考驗[2]。線路上碳刷可見異常有碳刷磨耗加速、碳刷崩角、碳刷開裂等，碳刷發(fā)生異常后，有時不易及時發(fā)現(xiàn)，本文以故障碳刷為研究對象，開展齒輪箱接地裝置碳刷電流試驗，以驗證故障碳刷的使用性能。

1 試驗方案

1.1 碳刷載流磨耗試驗臺

動車組齒輪箱接地裝置安裝在齒輪箱上，碳刷和隨車軸高速旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)緊密貼合，在列車運用過程中傳導(dǎo)電流，為模擬實際運用工況，需搭建碳刷載流磨耗試驗臺。

碳刷載流磨耗試驗臺包括總控制柜、電流發(fā)生器和試驗臺架三大部分，如圖1所示。

圖1 碳刷載流磨耗試驗臺結(jié)構(gòu)圖

總控制柜和電機、接地裝置連接，包括PLC控制及采集模塊、Modbus通訊模塊、HMI人機界面、位移傳感器等。其中，PLC控制及采集模塊控制三相異步電機的啟停、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，保證電機可模擬線路實際工況進行運轉(zhuǎn)，同時可存儲運行工況的實時數(shù)據(jù)；位移傳感器負責(zé)監(jiān)測碳刷磨耗，可實現(xiàn)碳刷磨耗異常報警和碳刷磨耗量監(jiān)測的功能；Modbus通訊模塊轉(zhuǎn)換并傳遞試驗數(shù)據(jù)；HMI人機界面便于人員通過觸摸屏按鈕進行試驗操作，并實現(xiàn)可視化的實時試驗數(shù)據(jù)監(jiān)測。

電流發(fā)生器和安裝在臺架上的兩個接地裝置通過電纜連接，形成閉合的電流回路。該試驗臺中使用的電流發(fā)生器可提供的最大瞬時電流為500 A，持續(xù)電流為AC 0～300 A，電流測量精度為1.5%FS±3dgt。電流發(fā)生器設(shè)置有人機交互界面，可通過獨立的觸摸屏調(diào)節(jié)輸入電流的大小，并監(jiān)測試驗中實際輸出的電流曲線。

試驗臺架包括接地裝置、軸承和軸承座、傳動軸、電機等。傳動軸通過電機進行驅(qū)動，通過熱套工藝安裝集電環(huán)，模擬列車中車軸的運轉(zhuǎn)；兩個接地裝置安裝在傳動軸的兩側(cè)，分別連接電流發(fā)生器的線纜，從而形成電流回路，其中，安裝時需保證碳刷露出長度跟實際運用狀態(tài)一致；傳動軸通過兩端的軸承座進行支撐固定，并通過軸承實現(xiàn)機械動作；根據(jù)模擬線路工況需求，電機轉(zhuǎn)速范圍至少為-2 800 r/min～2 800 r/min。

1.2 載流磨耗對比試驗方案

為了對比不同狀態(tài)碳刷對接地裝置運用中電流的影響程度，選取同型號的3組碳刷開展載流磨耗試驗，碳刷的3種狀態(tài)分別為：新碳刷、運用后完整碳刷(見圖2)、運用后開裂碳刷(見圖3)。根據(jù)試驗臺結(jié)構(gòu)需要，試驗中需在旋轉(zhuǎn)軸兩側(cè)分別安裝一個接地裝置，以形成電流回路，考慮到應(yīng)避免陪試碳刷對不同組別試驗中電流的影響，故選取同型號3組完整的全新碳刷分別進行陪試，試驗方案如表1所示。

圖2 運用后完整碳刷

圖3 運用后開裂碳刷

表1 碳刷載流磨耗試驗方案

目前我國在運營動車組最高時速可達350 km/h，運營列車為CR400系列復(fù)興號動車組，本次試驗?zāi)M該型號列車的運行工況進行參數(shù)設(shè)置。旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為2 184 r/min，系統(tǒng)輸入電流為300 A。

2 試驗結(jié)果

系統(tǒng)采集電流數(shù)據(jù)的頻次為1次/s，針對三組不同狀態(tài)碳刷的載流磨耗試驗，分別隨機截取其中3 600 s的數(shù)據(jù)進行對比分析，區(qū)間數(shù)據(jù)處理方法包括最大值、最小值、均值和標(biāo)準差，試驗結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 某型號新碳刷電流試驗結(jié)果

圖5 某型號使用后完整碳刷電流試驗結(jié)果

圖6 某型號使用后開裂碳刷電流試驗結(jié)果

圖7 不同狀態(tài)碳刷試驗電流標(biāo)準差對比圖

對圖4～圖6采集到的電流數(shù)據(jù)值進行分析，具體如下：

(1)對圖4～圖6中電流數(shù)據(jù)的最大值和最小值進行分析，在每300 s內(nèi)，新碳刷電流最大值和最小值的最大差值為34 A，使用后完整碳刷電流最大值和最小值的最大差值為47 A, 使用后開裂碳刷電流最大值和最小值的最大差值為46 A，由此數(shù)據(jù)分析，新碳刷電流在同一時間段內(nèi)的最大差值明顯小于使用后的碳刷，使用后完整碳刷和使用后開裂碳刷的最大差值接近。根據(jù)此組的數(shù)據(jù)分析可知，新碳刷的性能具有較為明顯的優(yōu)勢，使用后的碳刷因碳刷磨耗面形成的氧化膜及磨損程度差異，磨耗性能有所降低，但使用后的完整碳刷并未比開裂碳刷表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

(2)對圖4～圖6中電流數(shù)據(jù)的原始波形和均值進行分析，新碳刷電流曲線平穩(wěn)，使用后完整碳刷電流曲線先呈下降趨勢，后逐步趨向平穩(wěn)，使用后開裂碳刷電流曲線平穩(wěn)程度居中。根據(jù)此組的數(shù)據(jù)分析可知，新碳刷的性能具有較為明顯的優(yōu)勢，使用后完整碳刷的平穩(wěn)性在短時間內(nèi)略差于開裂碳刷，但逐步趨向穩(wěn)定，考慮為使用后完整碳刷在運行中發(fā)生了偏磨或磨面受損所致，初始磨面和試驗用集電環(huán)經(jīng)短時間磨合后匹配性變好，平穩(wěn)性增強。

(3)根據(jù)圖7不同狀態(tài)碳刷電流標(biāo)準差對比圖可知，新碳刷電流標(biāo)準差數(shù)值整體較小，且曲線較為平穩(wěn)，使用后兩種狀態(tài)碳刷電流標(biāo)準差數(shù)值整體較大，且使用后開裂碳刷的標(biāo)準差大于使用后完整碳刷的標(biāo)準差，此外，使用后開裂碳刷的標(biāo)準差數(shù)值存在明顯的波動點。根據(jù)此組的數(shù)據(jù)分析可知，新碳刷的性能具有較為明顯的優(yōu)勢，使用后完整碳刷優(yōu)于使用后開裂碳刷，判斷開裂碳刷對系統(tǒng)電流有一定的影響。

3 結(jié)論

本文通過開展不同狀態(tài)的碳刷載流磨耗試驗，對系統(tǒng)的實時電流數(shù)據(jù)進行采集，并隨機選取相同時長的電流數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的處理和分析，得到以下結(jié)論：

(1)新碳刷整體電流數(shù)據(jù)較好，使用后的兩種碳刷電流數(shù)據(jù)整體較差，其原因主要包括：使用后的碳刷磨面受損，與試驗用集電環(huán)匹配度變差，且在使用過程中碳刷因高速摩擦而長期處于高溫狀態(tài)，導(dǎo)致材料氧化，進而改變碳刷本身的電阻率，最終反映為流經(jīng)系統(tǒng)的電流值和新碳刷狀態(tài)下的電流值存在差異。

(2)本次試驗選用的兩片開裂碳刷包括磨面處開裂和種線孔處開裂兩種狀態(tài)，經(jīng)試驗數(shù)據(jù)分析可知，使用后開裂碳刷的電流標(biāo)準差值略大于使用后完整碳刷的電流標(biāo)準差值，可見碳刷開裂會對系統(tǒng)電流產(chǎn)生影響。結(jié)合理論分析，磨面處開裂后單位面積載流值增加，可能導(dǎo)致碳刷磨耗速度加快；種線孔處開裂可導(dǎo)致線路接觸不良，從而不能實現(xiàn)穩(wěn)定的導(dǎo)流作用。

綜上所述，新碳刷使用性能最好，其次為使用后完整碳刷，使用后開裂碳刷較差，結(jié)合理論分析，并考慮線路工況比試驗臺工況更為復(fù)雜和惡劣，為保證高速列車使用的安全性和可靠性，建議對出現(xiàn)開裂情況的碳刷立即進行更換。