磁浮列車受流器靴板選型試驗研究

劉曰鋒，張豪謙，紀宏超，魏江

(1.中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山 064002；2.華北理工大學機械工程學院，河北唐山 063210；3.清遠磁浮交通有限公司，廣東清遠 511500)

0 前言

磁浮列車具有噪聲低、轉彎半徑小、爬坡能力強、綠色環保等優點，正成為一種新型城市軌道交通方式，是對城市軌道交通的重要補充。而受流器是磁浮列車的受電設備，長沙機場線的運營實踐表明，受流器靴板與第三軌之間的磨損十分嚴重，增加了運營成本。受流器靴板與第三軌間良好的摩擦狀態是列車運行安全的前提條件，其靴板的磨耗壽命嚴重影響整車的運行安全及維護成本。研制結構更優、靴板更耐磨的受流器，并實現與供電軌的匹配，提高靴板的使用壽命，降低車輛的運營成本，一直是運營公司關注的重點方向。

1 受流器結構設計

受流器結構如圖1所示，它由底座、靴臂、靴板、扭力彈簧、電纜等部件組成。受流器通過扭力彈簧將彈簧力傳遞給靴板使得受流器和第三軌穩定接觸，確保磁浮列車的正常受流。供電電流不直接經過受流器機械部分，受流器整體絕緣不帶電。

圖1 受流器結構

底座如圖2所示，由碳鋼焊接后加工而成，表面噴漆處理，以達到防腐的目的。靴臂安裝在底座上，通過一只316不銹鋼材料的軸鉸接，標準件都采用不銹鋼材料，并設有防松裝置。

圖2 底座外形 圖3 上靴臂外形

靴臂如圖3所示，采用的是BMC 玻璃纖維樹脂成分的絕緣材料，阻燃并且無煙毒，具有很高的強度與絕緣性能。靴臂與底座鉸接部位設置有含油免維護軸承，與靴板支架鉸接部位設置有滾針軸承，軸承兩側設有防塵裝置，軸同樣采用316不銹鋼材料并設有注油孔。上方有電纜固定支架。

靴板如圖4所示，采用鏈條式分塊受流板結構，內設減振機構。靴板為球墨鑄鐵材質，具有很好的導電性能，且具有不拉弧、噪聲小的特點。球磨鑄鐵的滑板在國外三軌受流系統中也有廣泛應用，其特點是使用壽命比浸金屬碳滑板長，同時，球磨鑄鐵對三軌軌面潤滑性能與浸金屬碳滑板相當。

圖4 靴板外形

圖5所示為受流器中設置的扭力彈簧，它提供受流器與導電軌的接觸力，接觸力穩定可靠。

圖5 扭力彈簧

2 靴板材質分析

目前比較常用的幾種靴板材料的硬度如下：球墨鑄鐵QT500-7，按照鑄鐵類別測量，其硬度范圍為180～230HB；MT85A型浸金屬碳滑板(摩根)，按照非金屬材料硬度測量方法測量的硬度為90HS；304不銹鋼材料，按照不銹鋼硬度測量方法測量的硬度為150～187HB。

由于不同材料的硬度測量標準不一致，測量方式也不一樣，一般不具備可比性，不能直接對比。但是，如果參照硬度對比手冊，將上述3種材料的硬度換算到一個可以對比的參照表格中，如表1所示。

不僅如此，施耐庵對文字的把控亦是天才級別的，從來沒有一處廢字，恰到好處，點到為止。而這點在通讀完批評本后，諸位亦能感同身受，余不贅言。也因此《水滸傳》其實是老少皆宜的，因觀者的不同而呈現出紛繁的色彩，每個人都能在其中發現不同的樂趣，體悟人生的相處哲學。在“白茫茫一片，大地真干凈”的偽結局中，感受荒涼與悲愴。并最終如作者希冀的那樣“返璞歸真”，追求善與美的生命本質。也許這就是施耐庵想要帶給我們的《水滸傳》，也是鮑鵬山想要呈現出來的《水滸傳》。

表1 常見靴軌摩擦副材料機械性能參照對比

由表1可知：

(1)浸金屬碳的硬度最大，約是球磨鑄鐵或不銹鋼的4倍以上；

(2)浸金屬碳滑板是常用滑板材料之一，它對鋼鋁復合軌的磨耗很小，說明磨耗與硬度沒有直接關系；

(3)QT500-7球墨鑄鐵是另一種常見的滑板材料，而且其導電性能優于碳滑板，且在與不銹鋼的相互摩擦中，自身為磨耗材料，對不銹鋼的磨耗很少。

為比較不同材料的硬度，用統一的不銹鋼硬度測量方法對3種材料的硬度進行實際測量，測量結果如表2所示。

表2 常見靴軌摩擦材料硬度實際測量結果

由表2可知：

(1)浸金屬碳滑板硬度最大，遠高于不銹鋼和球墨鑄鐵，且其硬度超出了硬度測量儀器的量程500HB，因此結果是大于等于500HB；

(3)硬度是物質分子結構變形能力的參數，不是內部連接強度的指標；對于不同種類的物質，其硬度比較意義不大，也不表示其耐磨性或分子連接強度。

3 靴板磨耗試驗

3.1 試驗目的

為進一步為受流器靴板的選型提供依據，在受流器磨耗試驗臺上，針對鏈條式球墨鑄鐵受流靴及普通型浸金屬受流靴分別在不同環境下開展磨耗試驗，并對比分析觀察記錄的試驗數據，以確定受流器靴板材質。

3.2 試驗設備

旋轉試驗臺是模擬軌道運行的裝置，如圖6所示。選用某公司3000A接觸軌作為摩擦軌道。接觸軌是由超高導電性的鋁合金型材和不銹鋼型材通過焊接加工制成，不銹鋼型材表面用于受流靴取電的接觸面，要求具有較高的耐磨性。試驗臺受流接觸軌軌面的平整度要求較高，但為更真實地模擬實際運行軌道的狀態，在試驗臺的軌面上，按照標準要求，設置高差為0.2 mm的鋼板，用于模擬運行軌道軌與軌之間的接縫。鏈條式球墨鑄鐵受流靴(后文簡稱鏈條式受流靴)和普通浸金屬碳受流靴(后文簡稱浸金屬碳受流靴)各一套，同時采用壓力計測量接觸壓力，通過游標卡尺測量磨損量，利用計時器計算運行時間，采用淋雨噴水裝置模擬雨天潮濕軌道。

圖6 旋轉試驗臺

3.3 試驗方案

在干燥環境下，將受流靴裝配完成后，調節受流靴板中彈簧力為(75±25)N，同時使受流器靴臂板大彈簧的扭力在受流靴上產生壓力與之平衡，并用測力計確認接觸壓力。調節支架高度使受流靴與供電軌相接觸，打開供電電源，試驗電流分別為200、600 A，運行線速度為60 km/h。按照上述測試條件，在運行時間10、20、40、60、80 h情況下，使用游標卡尺測量滑靴的磨損量。同時，與浸金屬碳受流靴進行對比試驗，其中兩種受流靴的有效磨損高度均為12 mm，鏈條式受流靴對軌面的壓力不小于75 N，浸金屬碳受流靴對軌面的壓力為120 N。同時觀察記錄受流板和接觸軌接觸帶電受流并通過0.2 mm臺階時，是否有拉弧現象。潮濕環境測試需在試驗軌附近安裝噴水裝置模擬雨天潮濕軌道，其試驗方法與干燥試驗相同。

3.4 試驗結果及分析

在干燥環境運行中10、20、40、60、80 h后，經過測量可以得到干燥環境下受流靴磨耗量曲線如圖7所示，鏈條式和浸金屬碳滑板在不同條件下磨損量比較結果如表3所示。

圖7 干燥環境不同條件下受流靴磨耗量曲線

表3 干燥環境試驗數據

由圖8、表3可得出如下結果：

(1)試驗中，軌旋轉速度為60 km/h、電流為600 A，經計算可知鏈條式受流靴可運營77 800 km，而浸金屬碳受流靴的壽命為67 700 km；

(2)隨著電流的增加，磨耗量增加；

(3)鏈條式受流靴的磨耗量小于浸金屬碳靴板的磨耗量。

通過相同的方法，在試驗軌附近安裝噴水裝置，經測量得到淋雨環境下受流靴的磨損曲線如圖8所示，鏈條式和浸金屬碳滑板在不同條件下的磨損量比較結果如表4所示。

圖8 淋雨環境不同條件下受流靴磨耗量曲線

表4 淋雨環境磨耗試驗數據

由圖8、表4可得出如下結果：

(1)試驗中，軌旋轉速度為60 km/h、電流為600 A，經計算可知，鏈條式受流靴可運營72 900 km，而浸金屬受流靴的壽命為63 200 km；

(2)隨著電流的增加，磨耗量增加；

(3)鏈條式受流靴的磨耗量小于浸金屬碳受流靴磨耗量；

(4)有淋雨的情況下，磨耗量增加。

3.5 受流軌磨耗分析

試驗結束后，接觸軌磨損微小，受流靴材料的不同與受流軌的磨耗沒有必然聯系。

4 結論

無論是硬度非常大的浸銅碳滑板，還是硬度接近的球墨鑄鐵，都與不銹鋼接觸軌有著良好的磨損匹配性，相比之下，球墨鑄鐵不僅能減少對接觸軌的磨損，還可以減小界面電阻，節能環保。受流靴磨耗量隨運行時間、工作電流的增加而增大，雨天環境會增加受流靴磨耗。與浸金屬碳受流靴相比，在相同環境、相同運行時間下，鏈條式受流靴磨耗具有不拉弧、磨耗小的優點；兩種受流靴材質對接觸軌的磨損均不明顯。由此可見，相比之下，鏈條式球墨鑄鐵受流靴有更優良的耐磨損性能，能夠有效降低磁浮列車的維護成本，提高車輛運營效率。