磁浮列車受流器靴板選型試驗(yàn)研究

劉曰鋒，張豪謙，紀(jì)宏超，魏江

(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北唐山 064002；2.華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山 063210；3.清遠(yuǎn)磁浮交通有限公司，廣東清遠(yuǎn) 511500)

0 前言

磁浮列車具有噪聲低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，正成為一種新型城市軌道交通方式，是對(duì)城市軌道交通的重要補(bǔ)充。而受流器是磁浮列車的受電設(shè)備，長沙機(jī)場線的運(yùn)營實(shí)踐表明，受流器靴板與第三軌之間的磨損十分嚴(yán)重，增加了運(yùn)營成本。受流器靴板與第三軌間良好的摩擦狀態(tài)是列車運(yùn)行安全的前提條件，其靴板的磨耗壽命嚴(yán)重影響整車的運(yùn)行安全及維護(hù)成本。研制結(jié)構(gòu)更優(yōu)、靴板更耐磨的受流器，并實(shí)現(xiàn)與供電軌的匹配，提高靴板的使用壽命，降低車輛的運(yùn)營成本，一直是運(yùn)營公司關(guān)注的重點(diǎn)方向。

1 受流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

受流器結(jié)構(gòu)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(wěn)定接觸，確保磁浮列車的正常受流。供電電流不直接經(jīng)過受流器機(jī)械部分，受流器整體絕緣不帶電。

圖1 受流器結(jié)構(gòu)

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(dá)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(biāo)準(zhǔn)件都采用不銹鋼材料，并設(shè)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(qiáng)度與絕緣性能。靴臂與底座鉸接部位設(shè)置有含油免維護(hù)軸承，與靴板支架鉸接部位設(shè)置有滾針軸承，軸承兩側(cè)設(shè)有防塵裝置，軸同樣采用316不銹鋼材料并設(shè)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(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)減振機(jī)構(gòu)。靴板為球墨鑄鐵材質(zhì)，具有很好的導(dǎo)電性能，且具有不拉弧、噪聲小的特點(diǎn)。球磨鑄鐵的滑板在國外三軌受流系統(tǒng)中也有廣泛應(yīng)用，其特點(diǎn)是使用壽命比浸金屬碳滑板長，同時(shí)，球磨鑄鐵對(duì)三軌軌面潤滑性能與浸金屬碳滑板相當(dāng)。

圖4 靴板外形

圖5所示為受流器中設(shè)置的扭力彈簧，它提供受流器與導(dǎo)電軌的接觸力，接觸力穩(wěn)定可靠。

圖5 扭力彈簧

2 靴板材質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)不一致，測量方式也不一樣，一般不具備可比性，不能直接對(duì)比。但是，如果參照硬度對(duì)比手冊，將上述3種材料的硬度換算到一個(gè)可以對(duì)比的參照表格中，如表1所示。

不僅如此，施耐庵對(duì)文字的把控亦是天才級(jí)別的，從來沒有一處廢字，恰到好處，點(diǎn)到為止。而這點(diǎn)在通讀完批評(píng)本后，諸位亦能感同身受，余不贅言。也因此《水滸傳》其實(shí)是老少皆宜的，因觀者的不同而呈現(xiàn)出紛繁的色彩，每個(gè)人都能在其中發(fā)現(xiàn)不同的樂趣，體悟人生的相處哲學(xué)。在“白茫茫一片，大地真干凈”的偽結(jié)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(zhì)。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(xiàn)出來的《水滸傳》。

表1 常見靴軌摩擦副材料機(jī)械性能參照對(duì)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(duì)鋼鋁復(fù)合軌的磨耗很小，說明磨耗與硬度沒有直接關(guān)系；

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

為比較不同材料的硬度，用統(tǒng)一的不銹鋼硬度測量方法對(duì)3種材料的硬度進(jìn)行實(shí)際測量，測量結(jié)果如表2所示。

表2 常見靴軌摩擦材料硬度實(shí)際測量結(jié)果

由表2可知：

(1)浸金屬碳滑板硬度最大，遠(yuǎn)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(jié)果是大于等于500HB；

(3)硬度是物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)變形能力的參數(shù)，不是內(nèi)部連接強(qiáng)度的指標(biāo)；對(duì)于不同種類的物質(zhì)，其硬度比較意義不大，也不表示其耐磨性或分子連接強(qiáng)度。

3 靴板磨耗試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為進(jìn)一步為受流器靴板的選型提供依據(jù)，在受流器磨耗試驗(yàn)臺(tái)上，針對(duì)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(huán)境下開展磨耗試驗(yàn)，并對(duì)比分析觀察記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以確定受流器靴板材質(zhì)。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)是模擬軌道運(yùn)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(dǎo)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(yàn)臺(tái)受流接觸軌軌面的平整度要求較高，但為更真實(shí)地模擬實(shí)際運(yùn)行軌道的狀態(tài)，在試驗(yàn)臺(tái)的軌面上，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)置高差為0.2 mm的鋼板，用于模擬運(yùn)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(shí)采用壓力計(jì)測量接觸壓力，通過游標(biāo)卡尺測量磨損量，利用計(jì)時(shí)器計(jì)算運(yùn)行時(shí)間，采用淋雨噴水裝置模擬雨天潮濕軌道。

圖6 旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)

3.3 試驗(yàn)方案

在干燥環(huán)境下，將受流靴裝配完成后，調(diào)節(jié)受流靴板中彈簧力為(75±25)N，同時(shí)使受流器靴臂板大彈簧的扭力在受流靴上產(chǎn)生壓力與之平衡，并用測力計(jì)確認(rèn)接觸壓力。調(diào)節(jié)支架高度使受流靴與供電軌相接觸，打開供電電源，試驗(yàn)電流分別為200、600 A，運(yùn)行線速度為60 km/h。按照上述測試條件，在運(yùn)行時(shí)間10、20、40、60、80 h情況下，使用游標(biāo)卡尺測量滑靴的磨損量。同時(shí)，與浸金屬碳受流靴進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，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(duì)軌面的壓力不小于75 N，浸金屬碳受流靴對(duì)軌面的壓力為120 N。同時(shí)觀察記錄受流板和接觸軌接觸帶電受流并通過0.2 mm臺(tái)階時(shí)，是否有拉弧現(xiàn)象。潮濕環(huán)境測試需在試驗(yàn)軌附近安裝噴水裝置模擬雨天潮濕軌道，其試驗(yàn)方法與干燥試驗(yàn)相同。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在干燥環(huán)境運(yùn)行中10、20、40、60、80 h后，經(jīng)過測量可以得到干燥環(huán)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(jié)果如表3所示。

圖7 干燥環(huán)境不同條件下受流靴磨耗量曲線

表3 干燥環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖8、表3可得出如下結(jié)果：

(1)試驗(yàn)中，軌旋轉(zhuǎn)速度為60 km/h、電流為600 A，經(jīng)計(jì)算可知鏈條式受流靴可運(yùn)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(yàn)軌附近安裝噴水裝置，經(jīng)測量得到淋雨環(huán)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(jié)果如表4所示。

圖8 淋雨環(huán)境不同條件下受流靴磨耗量曲線

表4 淋雨環(huán)境磨耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖8、表4可得出如下結(jié)果：

(1)試驗(yàn)中，軌旋轉(zhuǎn)速度為60 km/h、電流為600 A，經(jīng)計(jì)算可知，鏈條式受流靴可運(yùn)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(yàn)結(jié)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(lián)系。

4 結(jié)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(duì)接觸軌的磨損，還可以減小界面電阻，節(jié)能環(huán)保。受流靴磨耗量隨運(yùn)行時(shí)間、工作電流的增加而增大，雨天環(huán)境會(huì)增加受流靴磨耗。與浸金屬碳受流靴相比，在相同環(huán)境、相同運(yùn)行時(shí)間下，鏈條式受流靴磨耗具有不拉弧、磨耗小的優(yōu)點(diǎn)；兩種受流靴材質(zhì)對(duì)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(yōu)良的耐磨損性能，能夠有效降低磁浮列車的維護(hù)成本，提高車輛運(yùn)營效率。