磁浮車輛液壓夾鉗單元絕緣方案研究

韓宇　楊東　尚小菲

摘 要：中低速磁浮列車以其綠色環(huán)保、安靜舒適、爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、建造成本低的優(yōu)勢，在城市軌道交通的應(yīng)用上體現(xiàn)出較強的環(huán)境適應(yīng)性和較好的社會經(jīng)濟性。相比傳統(tǒng)輪軌接觸式列車?yán)幂唽Ψ稚⒔拥氐姆绞?，磁浮列車采用雙端第三軌集中接地模式。實際上，磁浮車輛不僅需要從第三軌獲取主電氣設(shè)備的工作電流，還需要將車體感生電動勢導(dǎo)入第三軌。此種特殊的接地設(shè)計，會使列車在牽引啟動過程中閘片與 F 軌制動面之間產(chǎn)生火花，從而形成灼痕。為此，有必要針對磁浮列車液壓夾鉗單元絕緣方案進行深入研究，提出應(yīng)對措施，優(yōu)化設(shè)計，為磁浮車輛推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：磁浮車輛;液壓夾鉗單元;接地;絕緣方案;粉末冶金閘片

中圖分類號：U237

磁浮車輛在正常懸浮運行工況下，除與受流軌有接觸，車體本身與軌道是非接觸的，這就對車輛接地系統(tǒng)提出了新的需求。車輛在正常運行、制動未施加狀態(tài)時，粉末冶金閘片未與F軌接觸形成摩擦制動力，此時車體接地通過雙端第三軌集中回流接地。但當(dāng)車輛處于制動工況時，粉末冶金閘片緊貼F軌，若液壓夾鉗單元未做絕緣處理，部分電流會經(jīng)安裝在液壓夾鉗單元燕尾滑槽中的粉末冶金閘片通過F軌導(dǎo)通接地;在制動緩解狀態(tài)下，當(dāng)粉末冶金閘片與F軌分開時，易發(fā)生拉弧，此時在粉末冶金閘片與F軌接觸面上產(chǎn)生高溫灼痕，高溫會改變粉末冶金閘片表面狀態(tài)，加大其磨耗量。因此，為防止軌道通過安裝在液壓夾鉗單元燕尾滑槽中的粉末冶金閘片與車體之間形成導(dǎo)通回路，需對液壓夾鉗單元進行絕緣處理。

1 絕緣位置選擇

（1）燕尾滑槽和鉗體之間。根據(jù)熱容量仿真計算，連續(xù)3次緊急制動，燕尾滑槽的最高溫度約為190℃。在燕尾滑槽除滑槽面之外的表面，噴涂耐熱溫度為200℃以上的絕緣涂層，噴涂厚度 ≥1 mm，如圖1所示。

（2）導(dǎo)向柱和鉗體之間。在導(dǎo)向柱非螺紋部分表面噴涂耐熱溫度120 ℃以上的絕緣涂層，如圖2所示。

（3）燕尾板和拉桿之間。在拉桿銷孔位置增加抗壓強度較高的玻璃纖維增強尼龍墊套，在燕尾板和拉桿之間增加耐磨性較好的尼龍墊片，拉桿表面（含拉桿銷孔內(nèi)壁）噴涂耐熱溫度為120℃以上的絕緣涂層，噴涂厚度≥1 mm，如圖3所示。

（4）M8 螺釘和內(nèi)鉗體之間。只在兩側(cè)M8螺釘上噴涂耐熱溫度為200℃以上的絕緣涂層，噴涂厚度≥1mm，如圖4藍(lán)色部分所示。

2 絕緣風(fēng)險分析及應(yīng)對措施

2.1 電離擊穿風(fēng)險分析及應(yīng)對措施

2.1.1 風(fēng)險分析

燕尾滑槽和內(nèi)鉗體在螺紋連接處的空間過于緊湊，電氣間隙不足，易導(dǎo)致零件間的空氣發(fā)生電離擊穿。

2.1.2 應(yīng)對措施

在內(nèi)鉗體螺釘通孔中增加14mm臺階孔，以增大螺釘螺紋處與內(nèi)鉗體之間的電氣間隙，并在M8螺釘頭與內(nèi)鉗體間增加耐磨性較好的尼龍墊片，如圖5所示。

2.2 燕尾滑槽和內(nèi)鉗體固定風(fēng)險分析及應(yīng)對措施

2.2.1 風(fēng)險分析

燕尾滑槽和內(nèi)鉗體由“金屬-金屬”配合面變?yōu)椤敖饘?涂層”配合面，如圖6所示，摩擦系數(shù)下降，在反復(fù)制動過程中，二者會產(chǎn)生相對滑動，導(dǎo)致M8螺釘受剪，因此需要對螺釘進行受剪力校核。另一方面，螺釘預(yù)緊處噴漆表面出現(xiàn)脫落導(dǎo)致接觸面間隙增大，螺釘預(yù)緊力會減小，因此需要對螺釘安全系數(shù)進行校核。

2.2.2 應(yīng)對措施

在常規(guī)制動工況下，由螺釘預(yù)緊在燕尾滑槽和內(nèi)鉗體配合面產(chǎn)生的最大靜摩擦力Ff遠(yuǎn)大于燕尾滑槽受到的最大縱向力Fs;在螺釘預(yù)緊力失效工況下，螺釘受到的剪切應(yīng)力σp應(yīng)小于其許用剪切強度τ。下面對這2種情況分別進行校核計算。

情況1：常規(guī)工況校核計算。螺釘預(yù)緊力F為：

式（1）中，M為預(yù)緊扭矩，M = 20N · m;D為螺紋公稱直徑，D = 8mm;K為預(yù)緊力系數(shù)，K = 0.2。

由式（1）可知，螺釘預(yù)緊力F = 12500N。從圖6可知，燕尾滑槽的受力大小與螺釘預(yù)緊力相等，方向相反。則燕尾滑槽所受的靜摩擦力Ff為：

式（2）中，μ為燕尾滑槽與內(nèi)鉗體接觸面間摩擦系數(shù)，μ = 0.08;N為預(yù)緊螺釘數(shù)量，N = 4。

制動過程中燕尾滑槽受到的縱向力Fs為：

式（3）中，F(xiàn)m為液壓夾鉗單元夾緊力，由計算報告可知Fm = 10 000 N;η為閘片與燕尾滑槽間摩擦系數(shù)，η = 0.2。

由式（2）及式（3）計算結(jié)果可知，安全系數(shù)S1為：

安全系數(shù)S1≥1，即合格。由此可知，燕尾滑槽與內(nèi)鉗體間的固定結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足常規(guī)工況下的制動要求。

情況2：失效工況校核計算。由常規(guī)工況下校核安全系數(shù)S1 = 2可知，在2個螺釘預(yù)緊失效工況下，燕尾滑槽才會與內(nèi)鉗體發(fā)生錯位使螺釘受剪切力，在此工況下，對緊固螺釘所受剪切力進行校核。由于軸孔配合間隙較大，可能出現(xiàn)單個螺釘受剪的風(fēng)險，因此需對單個螺釘受剪進行校核。

單個螺釘受到的剪切應(yīng)力σp為：

式（5）中，A為應(yīng)力截面積，查詢《機械設(shè)計手冊》選取A = 36.6 mm2。

安全系數(shù)S2為：

式（6）中，τ經(jīng)查詢《機械設(shè)計手冊》選取240MPa。

安全系數(shù)S2≥1，即合格。由式（4）可知，燕尾滑槽與內(nèi)鉗體間固定結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足2個螺釘預(yù)緊失效工況下的制動要求。

2.3 尼龍墊套強度風(fēng)險分析及應(yīng)對措施

2.3.1 風(fēng)險分析

尼龍墊套安裝在拉桿與橡膠節(jié)點固定銷軸之間，位置如圖7所示。在制動過程中，其直接承載由燕尾板傳來的制動力，如強度不足，則存在脆裂危險。

2.3.2 應(yīng)對措施

對尼龍墊套強度進行分析，拉桿在夾鉗單元經(jīng)過F軌接縫處所受最大沖擊力為6.03kN，以此作為輸入，對尼龍墊套進行靜強度仿真計算。基于HyperMesh仿真軟件，尼龍墊套采用二階四面體單元進行模擬，仿真結(jié)果如圖8所示。經(jīng)仿真計算，尼龍墊套受到的最大應(yīng)力為92.6MPa，小于尼龍墊套材質(zhì)PA610的屈服強度139MPa，所以能夠滿足使用要求，不存在碎裂風(fēng)險。

3 絕緣耐壓試驗

3.1 試驗部件

絕緣耐壓試驗部件包括外鉗體組成、內(nèi)鉗體組成和拉桿組成。

3.2 試驗電壓

3.2.1 絕緣電阻試驗電壓

分別對組成液壓夾鉗單元的3種主要部件施加DC1000V電壓進行絕緣電阻試驗。

3.2.2 介電試驗電壓

從AC 500V開始，逐漸遞增電壓，進行介電試驗，直至發(fā)生擊穿、閃絡(luò)或漏電流>20mA。

3.3 試驗規(guī)范

3.3.1 測試位置

（1）外鉗體組成。測量電壓施加在外鉗體外表面與燕尾滑槽金屬面（地）之間。

（2）內(nèi)鉗體組成。測量電壓施加在內(nèi)鉗體外表面與燕尾滑槽金屬面（地）之間。

（3）拉桿組成。測量電壓施加在拉桿（橡膠節(jié)點端）與拉桿（關(guān)節(jié)軸承端）（地）之間。

3.3.2 測試時間

（1）試驗電壓在0.5s內(nèi)達(dá)到試驗值，并保持5s，使用1 000? V兆歐表進行測試。

（2）介電強度試驗時，試驗電壓在10s內(nèi)達(dá)到試驗值，并保持60s。

3.3.3 試驗過程

對每種部件進行絕緣電阻試驗和介電強度試驗，通過后，提高電壓，再次進行絕緣電阻試驗和介電強度試驗，直至耐壓達(dá)到AC 2 500 V或發(fā)生擊穿閃絡(luò)。

3.4 判定方法

（1）絕緣電阻試驗。絕緣電阻>5MΩ，認(rèn)為試驗通過。

（2）介電強度試驗。試驗過程中不產(chǎn)生擊穿或閃絡(luò)，漏電流<20 mA，認(rèn)為試驗通過。

3.5 試驗結(jié)果及分析

采用上述試驗方法分別對組成液壓夾鉗單元的3種主要部件進行絕緣耐壓性能試驗、絕緣電阻試驗和介電強度試驗，試驗結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，絕緣設(shè)計方案能夠使液壓夾鉗單元獲得一定電壓等級的絕緣耐壓性能，經(jīng)過測量，采用絕緣設(shè)計的液壓夾鉗單元能夠通過AC 2 000 V的介電強度試驗，并在DC 1 000 V電壓下測得絕緣電阻能夠滿足目前磁浮車輛液壓夾鉗單元絕緣性能要求。

4 結(jié)束語

鑒于當(dāng)前開展中低速磁懸浮列車技術(shù)研究及應(yīng)用的國家和地區(qū)較少，關(guān)于磁浮車輛液壓夾鉗單元絕緣耐壓方案鮮有報道，本文初步提出可行性研究方案，結(jié)合車輛實際運用，還需要在以下3個方面對液壓夾鉗單元絕緣耐壓方案進行更加深入的研究及總結(jié)：

（1）現(xiàn)車測量液壓夾鉗單元在制動、緩解、牽引、懸浮等各種工況下的電壓值及電流值，分析車輛在不同狀態(tài)下液壓夾鉗單元所在回路的電壓和電流特性;

（2）現(xiàn)車上對液壓夾鉗單元和F軌之間進行絕緣耐壓測試;

（3）在實際運營過程中，對非絕緣液壓夾鉗單元與絕緣液壓夾鉗單元進行對比分析，定期檢測安裝在絕緣液壓夾鉗單元和非絕緣液壓夾鉗單元上的粉末冶金閘片磨耗量，對比分析接地電流對粉末冶金閘片磨耗量的影響。

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收稿日期 2019-10-09

責(zé)任編輯 黨選麗

Research on insulation scheme of hydraulic clamp unit of maglev vehicle

Han Yu， Yang Dong， Shang Xiaofei

Abstract： The medium and low speed maglev train， with its advantages of environmental protection， quiet and comfortable， strong climbing ability， small radius negotiating and low construction cost， has strong environmental adaptability and better social cost effectiveness in the application of urban rail transit. Compared with the traditional wheel rail contact train， the maglev train adopts the mode of double ended third rail centralized grounding. In fact， the maglev vehicle not only needs to obtain the working current of the main electrical equipment from the third rail， but also needs to import the induced electromotive force of the vehicle body into the third rail. This special grounding design causes sparks between the brake pad and the F-rail braking surface during the traction start-up of the train， thus forming burn marks. Therefore， it is necessary to conduct in-depth research on the insulation scheme of the hydraulic clamp unit of the maglev train， and it puts forward countermeasures， optimizes the design， and lays the foundation for the promotion and application of the maglev vehicle.

Keywords： maglev vehicle， hydraulic clamp unit， grounding， insulation solution， powder metallurgy PM brake disc

作者簡介：韓宇（1985—），男，高級工程師