高速動車組用接地裝置碳刷支架研制

朱 飛 金思勤 趙 慧 高 揚(yáng) 張 波

(1.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011；2.常州中車柴油機(jī)零部件有限公司 江蘇 常州 213100)

0 概述

動車組接地裝置作為轉(zhuǎn)向架上的重要部件，一端通過接地線纜收集車體漏電流及工作電流接地回流，另一端通過碳刷軸周(齒輪箱)或軸端(軸箱軸承)連接將回路電流傳導(dǎo)至輪軌形成接地回路閉環(huán)。碳刷支架作為回流電路及機(jī)械支撐系統(tǒng)中的重要部件，其性能的優(yōu)劣直接影響接地裝置的工作質(zhì)量乃至動車組行車安全。

目前國內(nèi)對動車組接地裝置碳刷支架的研究較少，技術(shù)上基本處于空白狀態(tài)?，F(xiàn)車運(yùn)行的CRH2、CRH3及CR400型動車組上的碳刷支架絕大部分來源于東洋電機(jī)、采埃孚等國外公司，采購周期長且價格高昂，嚴(yán)重制約了我國動車組技術(shù)的發(fā)展。

為打破壟斷，突破“卡脖子”技術(shù)，適應(yīng)中國高速鐵路行業(yè)關(guān)鍵部件自主化發(fā)展的需要，本項(xiàng)目重點(diǎn)針對高速動車組用接地裝置碳刷支架的制造技術(shù)開展研究，研究了適用于時速250 km及以上接地刷架的毛坯制備、機(jī)加工、表面改性處理工藝。通過深入的制造技術(shù)研究，開發(fā)出可以完全替代進(jìn)口產(chǎn)品的國產(chǎn)化碳刷支架，既實(shí)現(xiàn)了降本增效，又填補(bǔ)了國內(nèi)在這一領(lǐng)域的技術(shù)空白，具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 碳刷支架結(jié)構(gòu)及工作原理

本項(xiàng)目研制的碳刷支架由導(dǎo)電回流本體和表面絕緣覆層組成，支架的兩端分別與接地線纜和碳刷連接。電流通過車體/牽引電機(jī)—接地線纜—碳刷支架—碳刷—集流裝置—車軸—輪對—軌道—大地，形成完整的回路。碳刷支架連接示意圖如圖1所示。

1—接地線纜；2—碳刷支架；3—絕緣覆層；4—碳刷；5—集流裝置。圖1 恒力彈簧模型

碳刷支架通過導(dǎo)通接地回路，大幅降低軸箱軸承及齒輪箱軸承點(diǎn)蝕風(fēng)險[1]，提高車輛的可靠性。此外，碳刷支架還起到固定碳刷、支撐接地裝置等作用。因此，對碳刷支架的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及機(jī)械性能均提出了較高的要求。

2 碳刷支架樣品研制

2.1 碳刷支架回路電流計算

回路電流主要來自于工作電路電流和接地漏電流。工作電路電流可以根據(jù)車輛電氣參數(shù)進(jìn)行計算，漏電流一般通過線路實(shí)測的方式獲取。假定某型動車組采用“4動4拖8編組”配置，設(shè)定電氣參數(shù)如表1所示。

表1 假定電氣參數(shù)

牽引、再生時按如下公式計算工作電路電流：

在給定的極限工況下，計算系數(shù)C1、C2分別為5.167、0.258。由此獲得牽引和再生時通過每條輪軸的工作回流為：I1=86.81 A；I2=82.69 A。

對某型動車組電氣系統(tǒng)漏電流進(jìn)行跟蹤實(shí)測，正常運(yùn)行環(huán)境下通過每條輪軸的漏電流不超過20 A。由此，在正常工作條件下，通過碳刷支架的回路總電流在105 A左右。但在極端雷暴環(huán)境下運(yùn)行時，接觸網(wǎng)承受的瞬時通過電流可能達(dá)到10 000 A甚至更大，經(jīng)測算此時碳刷支架承受的最大瞬時通過電流可能高達(dá)730 A。

2.2 原材料的選擇

碳刷支架作為接地回路的一部分，在回路電流及齒輪箱熱輻射效應(yīng)下碳刷安裝座尺寸會發(fā)生膨脹，當(dāng)動車組在低溫環(huán)境中運(yùn)用時該部位尺寸也會發(fā)生收縮。驗(yàn)證表明：當(dāng)碳刷與安裝座間隙增大到一定范圍時，會加劇碳刷本體的振動效應(yīng)，容易引起碳刷接觸不良產(chǎn)生打火沖擊等現(xiàn)象；當(dāng)該間隙減少時又會引起碳刷卡滯滑動不良，進(jìn)而可能引發(fā)接地不良、軸承點(diǎn)蝕等次生災(zāi)害。

為最大化降低碳刷支架的膨脹效應(yīng)，應(yīng)優(yōu)先選用與匹配碳刷膨脹系數(shù)相接近的材質(zhì)。此外，根據(jù)國內(nèi)外同類型產(chǎn)品綜合對比及實(shí)地測驗(yàn)，選定碳刷安裝座與碳刷的組裝間隙0.05～0.10 mm。

根據(jù)運(yùn)用工況分析，碳刷支架應(yīng)選用導(dǎo)電導(dǎo)熱優(yōu)良的材質(zhì)。此外由于碳刷支架還受到安裝預(yù)緊力的直接作用，并承受通過輪軌傳遞的振動與沖擊載荷，對其機(jī)械性能也提出了較高的要求。綜合考量各項(xiàng)因素，碳刷支架采用銅錫合金鑄造而成(其中Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求不低于88%，Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求不低于8%)，此外為提高鑄件的致密性和耐磨性并節(jié)省錫用量，加入適量的鋅、鉛等元素[2]。鑄件性能要求抗拉強(qiáng)度不小于350 MPa，本體硬度不小于140HB，機(jī)加工后要求碳刷安裝座、線纜接觸端子等關(guān)鍵部位無缺陷。

2.3 鑄造工藝研究

碳刷支架采用銅合金鑄造主要存在以下難點(diǎn)：

(1)縮松控制難度較大：Cu結(jié)晶溫度約為1 080 ℃，Sn的結(jié)晶溫度約為230 ℃，Pb的結(jié)晶溫度約為330 ℃，各合金元素結(jié)晶溫度范圍大。在凝固過程，先凝固的成分容易形成枝狀晶，導(dǎo)致合金液補(bǔ)縮困難，容易產(chǎn)生縮松和偏析。

(2)鑄件壁厚變化大：鑄件主體部分壁厚約10 mm，碳刷安裝座部位壁厚超過30 mm，壁厚差較大，薄壁部位與厚壁部位的結(jié)晶速率差異明顯，容易使缺陷向壁厚部位聚集。

(3)部分合金元素吸氣效應(yīng)明顯，易形成夾雜物，造成合金力學(xué)性能降低。

針對以上鑄造難點(diǎn)，選用砂型鑄造工藝，根據(jù)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在鑄液中加入微量的某稀土元素可以顯著改善鑄件的偏析和吸氣特性。鑄造工藝改進(jìn)后，鑄件機(jī)加工后成品率、表面狀態(tài)質(zhì)量、微觀組織等均有顯著提升(見圖2、圖3)。

圖2 改進(jìn)前機(jī)加工表面狀態(tài)

圖3 改進(jìn)后機(jī)加工表面狀態(tài)

2.4 機(jī)加工及表面改性工藝研究

碳刷支架毛坯鑄造完成后，通過銑削加工進(jìn)行粗加工，去除主要加工余量及鑄件表面缺陷。為改善工件的強(qiáng)度和硬度，對粗加工表面采用旋壓的方法進(jìn)行二次加工，通過刀具的鈍圓刃和后刀面的擠壓摩擦使金屬材料的晶粒再次纖維化并加工硬化。

針對碳刷安裝座部位，由于此處是碳刷支架與碳刷匹配安裝部位，對安裝座的尺寸精度及形位公差要求極高。此外碳刷滑移運(yùn)用時在該部位與支架表面可能微動摩擦，為保證在整個服役周期內(nèi)碳刷安裝座尺寸保持穩(wěn)定，該部位要求具備優(yōu)良的抗磨性能。采用微粒光整加工方法，固定接觸壓力持續(xù)對碳刷安裝座表面進(jìn)行微量刻劃，以達(dá)到表面改性的效果。

經(jīng)工藝驗(yàn)證，改性處理后，碳刷安裝座表面紋理狀態(tài)與改進(jìn)前的對比如圖4、圖5所示，表面粗糙度(見表2)及表面硬度(見表3)均有明顯改善。

圖4 改進(jìn)前機(jī)加工表面狀態(tài)

圖5 改進(jìn)后機(jī)加工表面狀態(tài)

表2 改進(jìn)前機(jī)加工表面粗糙度對比 /um

表3 改進(jìn)前機(jī)加工表面硬度對比

3 結(jié)論

本文介紹了一種高速動車組用接地裝置碳刷支架的研制過程。在充分考慮碳刷支架運(yùn)用環(huán)境的基礎(chǔ)上，分別從不同工況電流理論計算、原材料選取、鑄造工藝研究、機(jī)加工及表面改性技術(shù)研究方面進(jìn)行了探討。研制的碳刷支架鑄件質(zhì)量良好，縮松等缺陷得到有效控制，碳刷安裝座等關(guān)鍵部位通過表面改性處理后性能得到進(jìn)一步優(yōu)化。樣件試制完成后開展了單體性能測試，并分別隨接地裝置及齒輪箱整體開展了電氣性能測試、持續(xù)通電摩擦磨損性能測試、極端環(huán)境溫度下耐候性測試等多項(xiàng)驗(yàn)證。產(chǎn)品研制完成后先后在CR400BF、CR300BF、CR300AF、CR400AF等復(fù)興號動車組上批量裝用近萬套，廣泛服務(wù)于中國鐵路高寒、多風(fēng)沙、濕熱、長大隧道等多種復(fù)雜工況，未出現(xiàn)因自身性能引起的運(yùn)用故障；截至目前最大安全服役里程已超過240萬km，服役后拆解檢查各項(xiàng)性能指標(biāo)仍表現(xiàn)良好。