高速動車組軸端接地裝置選型及磨損性能分析

劉兆金+李國棟

摘 要：我國鐵路已經步入了高鐵時代，接地裝置是高鐵的關鍵零部件之一，本文結合接地裝置的應用情況，總結了接地裝置發生的常見問題，分析了這些問題產生的原因，即提供了大量接地裝置應用實例，也深入分析了這些問題產生的根源，對接地裝置的應用研發和理論研究，提供了參考。

關鍵詞：高速鐵路；動車組；轉向架；接地裝置

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

1 引言

隨著我國經濟迅猛發展，我國鐵路建設也步入了“高速時代”。五次大提速帶來的經濟和社會效益更加證明了高速鐵路在我國的強大的生命力和廣闊的發展空間。在高速鐵路跨越式發展的同時，各系統的安全性、可靠性已然成為至關重要的一環，這也是我國發展高速鐵路的基石。轉向架作為高速動車組九大關鍵技術最為核心的技術之一，為車輛提供了良好的穩定性和運行安全性。縱觀高速鐵路投入運用的10年，在引進、消化、吸收國外先進技術的過程中，不斷的遇到問題、分析問題、解決問題。高速動車組旋轉部件，由于其高速旋轉的特殊性，同時又是直接與軌道接觸的部件，發生故障故障的可能性較大，問題發生后非常難以解決。在交流電氣化鐵路接觸網中，列車通過受電弓碳滑板獲得電力，通過牽引電機產生驅動力。牽引電流經車輪、軌道和大地回到變電所。為了防止轉向架軸箱和齒輪箱軸承通過電流而產生電蝕，在轉向架的軸端安裝了接地裝置，從而使所有電流通過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的一個重要環節，同時安裝在高速旋轉的軸端，自身在運用中又通過較大的電流，涉及了機械工程、電學、材料學、摩擦學等數門學科，能夠正常可靠的工作對列車的安全運用尤為重要。

2 概述

各型高速動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摩擦副（如圖2-1所示），是整個接地裝置最為核心的部件，也是通過電流的關鍵環節。選擇合適的材料，能夠減少碳刷和摩擦盤在運用過程中的磨損。同時改善摩擦副表面潤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械磨耗和電磨耗，當恒力彈簧壓力由小變大時，按刷機械磨耗不斷增加，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系，電流磨耗量則越大。碳刷磨耗率如圖3-1所示，機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。曲線最低點為碳刷最小磨耗點，此處的恒力彈簧壓力，即為摩擦副最佳彈簧壓力，該彈簧力是基于機械磨耗和電磨耗折中考慮的。高速動車組接地裝置在運用過程中，由于存在橫向振動，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接地裝置尤為重要。合適的彈簧力既能保證適當的機械磨耗和電磨耗，又能有效避免碳刷在列車運用過程中脫離摩擦盤而產生拉弧。

3.2 碳刷選型

高速動車組軸端接地裝置多為石墨和銅粉經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，導電性越好，但潤滑性能相對較差；石墨粉含量越大，潤滑性能越好，而導電性能相對較差。銅粉多采用高純度的電解銅，銅顆粒過大，燒結后石墨不易形成網狀結構，在運用過程中容易產生粘著磨損，是磨耗速率加大；而銅顆粒過小，容易導致碳刷機械強度降低。顆粒大小須合適。石墨粉粒度過小，石墨表面積越大，碳刷中的空隙越多，機械強度越低；石墨粒度越大，對材料割裂就越嚴重，機械強度也降低。所以在混料前，須將銅粉和石墨粉過規定目數的篩子，確保其碳粉和銅粉粒度大小適宜。

由于軸端振動較大，運用工況比較復雜，對碳刷機械性能要求較高。而銅相對較軟，在摩擦過程中容易出現變形，同時為了提高摩擦面耐磨性，需要添加微量元素，以提高碳刷強度、硬度和耐磨性。

3.3 摩擦盤選型

高速動車組軸端接地裝置摩擦盤采用材質不盡相同，有錫青銅、鋅黃銅和不銹鋼等。可采取鑄造和鍛造方式獲得，鑄造工藝生產效率高、生產成本低，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，但生產成本高、生產效率相對較低。錫青銅主要成分為Cu、Sn、Ni、Pb等，其中Cu主要起導電作用、Sn主要起潤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能夠增加強度和耐磨性。

國內外錫青銅摩擦盤中Sn含量各不相同，如CuSn6、CuSn8、CuSn9、CuSn10、CuSn12等，隨著Sn含量增加，摩擦盤硬度相應增加，但摩擦盤中Sn含量不易過大，超過12%將會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%。摩擦盤中的銅應采用純度較高的電解銅，且不能使用回收銅。回收銅將導致摩擦盤中存在雜質成分或硬相，可能導致接地裝置的異常磨損。無論選用哪種材質摩擦盤，最重要是選用與之相匹配的碳刷。

在對摩擦盤進行設計時，應考慮與軸箱或接地裝置外殼形成相對密封的空腔，避免摩擦副產生的粉末進入軸承，使軸承潤滑不良，最終導致熱軸。

3.4 接地裝置結構設計

在對摩擦盤進行設計時，應考慮與軸箱或接地裝置外殼形成相對密封的空腔，避免摩擦副產生的粉末進入軸承，使軸承潤滑不良，最終導致熱軸。

為了避免接地裝置在工作時碳刷保持架與摩擦盤干涉，在設計時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程中，將會在摩擦盤表面形成一層穩定的氧化膜（見圖4-1）。在摩擦過程中，氧化膜呈現為一種平衡狀態。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構，有利于降低磨耗，氧化亞銅是形成氧化銅過程的一個中間產物。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、相對轉速、摩擦盤表面清潔度、溫度、空氣濕度和接地電流等等，最終導致異常磨損的結果是氧化膜未形成或形成后遭到破壞。對高速動車組而言，碳刷與摩擦盤的相對轉速是由列車速度決定的，是接地裝置設計和選型的前提條件；而摩擦盤表面清潔度與裝配工藝相關；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有充分的理論依據，還需要通過大量的磨耗對比試驗進行驗證。同一套摩擦副，至少要進行非載流、載中等電流、載大電流3中公況的磨耗試驗。通過對比不同方案的碳刷，選取與摩擦盤最為匹配的作為最終方案。在進行磨耗試驗過程中，需要以列車最高運營速度進行試驗，同時增加風源，模擬列車運行速度產生的相對風速（不考慮自然風）。

由于摩擦盤屬于金屬鑄造件，可以通過適當的試驗方法準確測量其硬度。而碳刷屬于粉末冶金制品，需要通過特殊方法檢測其硬度。轉化為布氏硬度后，摩擦盤硬度應至少為碳刷硬度的2倍，否則很容易導致異常磨損。

4.2 電流

列車在運行過程中，電流通過受電弓到牽引變流器，通過到軸端接地再到鋼軌和大地，如圖4-2所示。當列車通過絕緣節時，鋼軌電流又會從后車接地裝置回到車上，通過車間電纜到前車接地裝置再流到鋼軌。通過對列車接地裝置通過電流測試可以看出，頭車電流高于中間車，重聯頭車電流高于標準列頭車電流（約為2倍）。

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

車輪多邊形主要表現在軸端振動異常，當車輪發生多邊形時，會導致該車輪或所在輪對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電流產生差異，進而影響接地裝置壽命。由于碳刷與保持架存在間隙，異常的軸端振動使碳刷相對于保持架的沖擊力增大，如碳刷強度不足，可能會導致碳刷掉塊。但從各型動車組軸端接地裝置運用情況看，車輪多邊形對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

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

另外，在進行接地裝置設計過程中，可從結構和選材上考慮，盡量保證接地裝置散熱良好，以降低摩擦副產生的熱量，從而延長接地裝置使用壽命。

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。在相對干燥條件下，碳刷和摩擦盤間的氧化膜則不易形成。對高速動車組近幾年軸端接地裝置磨耗量統計發現，每年12月至3月間，容易發生接地裝置異常磨損，且配屬華北地區車組高于配屬其他地區車組。對近幾年全國各地區空氣濕度進行對比發現，華北地區在12月至3月間，空氣濕度相對較低，首都北京在1月至2月的某段時間，空氣濕度可低至10%。

5 結論

依據文中分析可以得出如下結論：

（1）接地裝置的關鍵技術與關鍵項點在于摩擦副，摩擦副由摩擦盤、碳刷、恒力彈簧組成，摩擦副中摩擦盤、碳刷的匹配性很關鍵，恒力彈簧的選擇需適應動車組的振動狀況。

（2）服役條件包含電流、溫度、動車組振動狀況是接地裝置需要考慮的應用指標。

（3）接地裝置的結構設計是平衡技術指標與應用指標的關鍵。

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