高速動車組齒輪箱接地裝置故障碳刷電流驗(yàn)證試驗(yàn)

趙 慧 路學(xué)海 杜金峰 郭 歡

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

0 引言

根據(jù)動車組接地系統(tǒng)的安裝部位及工作模式不同，可以分為軸端端磨接地、軸端環(huán)磨接地、軸身環(huán)磨接地三種接地裝置[1]。我國自主研發(fā)的復(fù)興號系列動車組，均安裝有軸身環(huán)磨形式的接地裝置，即齒輪箱接地裝置，該結(jié)構(gòu)接地裝置還應(yīng)用于和諧號CRH2、CRH6型等動車組。齒輪箱接地裝置隨齒輪箱安裝在動車轉(zhuǎn)向架的車軸上，其工作原理為：車體或電機(jī)經(jīng)導(dǎo)線線纜連接接地裝置支架板，漏電電流隨后流經(jīng)碳刷架，并通過碳刷將電流傳遞至集電環(huán)和車軸，最后通過車輪與鋼軌形成接地回路。其中，碳刷是接地裝置的關(guān)鍵部件，承擔(dān)車體或電機(jī)和車軸轉(zhuǎn)動部分之間傳遞電流的作用。

在動車組實(shí)際運(yùn)用過程中，漏電電流大小差異、線路振動、環(huán)境溫濕度變化等都給碳刷使用的穩(wěn)定性帶來較嚴(yán)苛的考驗(yàn)[2]。線路上碳刷可見異常有碳刷磨耗加速、碳刷崩角、碳刷開裂等，碳刷發(fā)生異常后，有時不易及時發(fā)現(xiàn)，本文以故障碳刷為研究對象，開展齒輪箱接地裝置碳刷電流試驗(yàn)，以驗(yàn)證故障碳刷的使用性能。

1 試驗(yàn)方案

1.1 碳刷載流磨耗試驗(yàn)臺

動車組齒輪箱接地裝置安裝在齒輪箱上，碳刷和隨車軸高速旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)緊密貼合，在列車運(yùn)用過程中傳導(dǎo)電流，為模擬實(shí)際運(yùn)用工況，需搭建碳刷載流磨耗試驗(yàn)臺。

碳刷載流磨耗試驗(yàn)臺包括總控制柜、電流發(fā)生器和試驗(yàn)臺架三大部分，如圖1所示。

圖1 碳刷載流磨耗試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)圖

總控制柜和電機(jī)、接地裝置連接，包括PLC控制及采集模塊、Modbus通訊模塊、HMI人機(jī)界面、位移傳感器等。其中，PLC控制及采集模塊控制三相異步電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，保證電機(jī)可模擬線路實(shí)際工況進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，同時可存儲運(yùn)行工況的實(shí)時數(shù)據(jù)；位移傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測碳刷磨耗，可實(shí)現(xiàn)碳刷磨耗異常報(bào)警和碳刷磨耗量監(jiān)測的功能；Modbus通訊模塊轉(zhuǎn)換并傳遞試驗(yàn)數(shù)據(jù)；HMI人機(jī)界面便于人員通過觸摸屏按鈕進(jìn)行試驗(yàn)操作，并實(shí)現(xiàn)可視化的實(shí)時試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測。

電流發(fā)生器和安裝在臺架上的兩個接地裝置通過電纜連接，形成閉合的電流回路。該試驗(yàn)臺中使用的電流發(fā)生器可提供的最大瞬時電流為500 A，持續(xù)電流為AC 0～300 A，電流測量精度為1.5%FS±3dgt。電流發(fā)生器設(shè)置有人機(jī)交互界面，可通過獨(dú)立的觸摸屏調(diào)節(jié)輸入電流的大小，并監(jiān)測試驗(yàn)中實(shí)際輸出的電流曲線。

試驗(yàn)臺架包括接地裝置、軸承和軸承座、傳動軸、電機(jī)等。傳動軸通過電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，通過熱套工藝安裝集電環(huán)，模擬列車中車軸的運(yùn)轉(zhuǎn)；兩個接地裝置安裝在傳動軸的兩側(cè)，分別連接電流發(fā)生器的線纜，從而形成電流回路，其中，安裝時需保證碳刷露出長度跟實(shí)際運(yùn)用狀態(tài)一致；傳動軸通過兩端的軸承座進(jìn)行支撐固定，并通過軸承實(shí)現(xiàn)機(jī)械動作；根據(jù)模擬線路工況需求，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍至少為-2 800 r/min～2 800 r/min。

1.2 載流磨耗對比試驗(yàn)方案

為了對比不同狀態(tài)碳刷對接地裝置運(yùn)用中電流的影響程度，選取同型號的3組碳刷開展載流磨耗試驗(yàn)，碳刷的3種狀態(tài)分別為：新碳刷、運(yùn)用后完整碳刷(見圖2)、運(yùn)用后開裂碳刷(見圖3)。根據(jù)試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)需要，試驗(yàn)中需在旋轉(zhuǎn)軸兩側(cè)分別安裝一個接地裝置，以形成電流回路，考慮到應(yīng)避免陪試碳刷對不同組別試驗(yàn)中電流的影響，故選取同型號3組完整的全新碳刷分別進(jìn)行陪試，試驗(yàn)方案如表1所示。

圖2 運(yùn)用后完整碳刷

圖3 運(yùn)用后開裂碳刷

表1 碳刷載流磨耗試驗(yàn)方案

目前我國在運(yùn)營動車組最高時速可達(dá)350 km/h，運(yùn)營列車為CR400系列復(fù)興號動車組，本次試驗(yàn)?zāi)M該型號列車的運(yùn)行工況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為2 184 r/min，系統(tǒng)輸入電流為300 A。

2 試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)采集電流數(shù)據(jù)的頻次為1次/s，針對三組不同狀態(tài)碳刷的載流磨耗試驗(yàn)，分別隨機(jī)截取其中3 600 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，區(qū)間數(shù)據(jù)處理方法包括最大值、最小值、均值和標(biāo)準(zhǔn)差，試驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 某型號新碳刷電流試驗(yàn)結(jié)果

圖5 某型號使用后完整碳刷電流試驗(yàn)結(jié)果

圖6 某型號使用后開裂碳刷電流試驗(yàn)結(jié)果

圖7 不同狀態(tài)碳刷試驗(yàn)電流標(biāo)準(zhǔn)差對比圖

對圖4～圖6采集到的電流數(shù)據(jù)值進(jìn)行分析，具體如下：

(1)對圖4～圖6中電流數(shù)據(jù)的最大值和最小值進(jìn)行分析，在每300 s內(nèi)，新碳刷電流最大值和最小值的最大差值為34 A，使用后完整碳刷電流最大值和最小值的最大差值為47 A, 使用后開裂碳刷電流最大值和最小值的最大差值為46 A，由此數(shù)據(jù)分析，新碳刷電流在同一時間段內(nèi)的最大差值明顯小于使用后的碳刷，使用后完整碳刷和使用后開裂碳刷的最大差值接近。根據(jù)此組的數(shù)據(jù)分析可知，新碳刷的性能具有較為明顯的優(yōu)勢，使用后的碳刷因碳刷磨耗面形成的氧化膜及磨損程度差異，磨耗性能有所降低，但使用后的完整碳刷并未比開裂碳刷表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

(2)對圖4～圖6中電流數(shù)據(jù)的原始波形和均值進(jìn)行分析，新碳刷電流曲線平穩(wěn)，使用后完整碳刷電流曲線先呈下降趨勢，后逐步趨向平穩(wěn)，使用后開裂碳刷電流曲線平穩(wěn)程度居中。根據(jù)此組的數(shù)據(jù)分析可知，新碳刷的性能具有較為明顯的優(yōu)勢，使用后完整碳刷的平穩(wěn)性在短時間內(nèi)略差于開裂碳刷，但逐步趨向穩(wěn)定，考慮為使用后完整碳刷在運(yùn)行中發(fā)生了偏磨或磨面受損所致，初始磨面和試驗(yàn)用集電環(huán)經(jīng)短時間磨合后匹配性變好，平穩(wěn)性增強(qiáng)。

(3)根據(jù)圖7不同狀態(tài)碳刷電流標(biāo)準(zhǔn)差對比圖可知，新碳刷電流標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值整體較小，且曲線較為平穩(wěn)，使用后兩種狀態(tài)碳刷電流標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值整體較大，且使用后開裂碳刷的標(biāo)準(zhǔn)差大于使用后完整碳刷的標(biāo)準(zhǔn)差，此外，使用后開裂碳刷的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值存在明顯的波動點(diǎn)。根據(jù)此組的數(shù)據(jù)分析可知，新碳刷的性能具有較為明顯的優(yōu)勢，使用后完整碳刷優(yōu)于使用后開裂碳刷，判斷開裂碳刷對系統(tǒng)電流有一定的影響。

3 結(jié)論

本文通過開展不同狀態(tài)的碳刷載流磨耗試驗(yàn)，對系統(tǒng)的實(shí)時電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并隨機(jī)選取相同時長的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，得到以下結(jié)論：

(1)新碳刷整體電流數(shù)據(jù)較好，使用后的兩種碳刷電流數(shù)據(jù)整體較差，其原因主要包括：使用后的碳刷磨面受損，與試驗(yàn)用集電環(huán)匹配度變差，且在使用過程中碳刷因高速摩擦而長期處于高溫狀態(tài)，導(dǎo)致材料氧化，進(jìn)而改變碳刷本身的電阻率，最終反映為流經(jīng)系統(tǒng)的電流值和新碳刷狀態(tài)下的電流值存在差異。

(2)本次試驗(yàn)選用的兩片開裂碳刷包括磨面處開裂和種線孔處開裂兩種狀態(tài)，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，使用后開裂碳刷的電流標(biāo)準(zhǔn)差值略大于使用后完整碳刷的電流標(biāo)準(zhǔn)差值，可見碳刷開裂會對系統(tǒng)電流產(chǎn)生影響。結(jié)合理論分析，磨面處開裂后單位面積載流值增加，可能導(dǎo)致碳刷磨耗速度加快；種線孔處開裂可導(dǎo)致線路接觸不良，從而不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的導(dǎo)流作用。

綜上所述，新碳刷使用性能最好，其次為使用后完整碳刷，使用后開裂碳刷較差，結(jié)合理論分析，并考慮線路工況比試驗(yàn)臺工況更為復(fù)雜和惡劣，為保證高速列車使用的安全性和可靠性，建議對出現(xiàn)開裂情況的碳刷立即進(jìn)行更換。