高速動(dòng)車組接地回流裝置用電刷的制備

佟立國

（哈爾濱電碳廠，哈爾濱 150025）

1 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，我國鐵路建設(shè)也步入了“高速時(shí)代”。五次大提速帶來的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益更加證明了高速鐵路在我國的強(qiáng)大的生命力和廣闊的發(fā)展空間。在高速鐵路跨越式發(fā)展的同時(shí)，各系統(tǒng)的安全性、可靠性已然成為至關(guān)重要的一環(huán)，這也是我國發(fā)展高速鐵路的基石。接地裝置作為高速動(dòng)車組九大關(guān)鍵技術(shù)最為核心的技術(shù)之一，為車輛提供了良好的穩(wěn)定性和運(yùn)行安全性?？v觀高速鐵路投入運(yùn)用的10年，在引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)的過程中，不斷的遇到問題、分析問題、解決問題。高速動(dòng)車組旋轉(zhuǎn)部件，由于其高速旋轉(zhuǎn)的特殊性，同時(shí)又是直接與軌道接觸的部件，發(fā)生故障故障的可能性較大，問題發(fā)生后非常難以解決。在交流電氣化鐵路接觸網(wǎng)中，列車通過受電弓碳滑板獲得電力，通過牽引電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。牽引電流經(jīng)車輪、軌道和大地回到變電所。為了防止轉(zhuǎn)向架軸箱和齒輪箱軸承通過電流而產(chǎn)生電蝕，在轉(zhuǎn)向架的軸端安裝了接地裝置，從而使所有電流通過該接地裝置流向車輪，最后流向鋼軌和大地。電刷是整車接地系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，同時(shí)安裝在高速旋轉(zhuǎn)的軸端，自身在運(yùn)用中又通過較大的電流，涉及了機(jī)械工程、電學(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)等數(shù)門學(xué)科，能夠正?？煽康墓ぷ鲗?duì)列車的安全運(yùn)用尤為重要[1]，目前所選用的電刷多數(shù)為德國及日本產(chǎn)的電刷，其實(shí)際運(yùn)行壽命可達(dá)90W公里以上，國產(chǎn)電刷僅能達(dá)到60W公里，為此我們研發(fā)了壽命可達(dá)到100W公里以上的接地電刷，使國產(chǎn)電刷使用壽命超過了國外電刷，占領(lǐng)了市場。

2 試驗(yàn)

2.1 接地電刷的作用

接地電刷基本上作為從車輛的固定端與旋轉(zhuǎn)部件之間電流轉(zhuǎn)換的低電阻電橋。因此，接地電刷主要的功能有以下幾點(diǎn)：

(1)有效電流的轉(zhuǎn)移；

(2)信號(hào)電流的轉(zhuǎn)移；

(3)車輛的接地保護(hù)

2.1.1 有效電流的轉(zhuǎn)移

從懸掛線或第三軌得到電壓，傳輸?shù)綑C(jī)車，牽引和移動(dòng)車輛的有效電流。電路通過軟軸和車輪到鐵路軌道上，再導(dǎo)入大地形成回路。從車輛的固定部件到轉(zhuǎn)動(dòng)軸電流通過稱為“接地點(diǎn)”的特殊電橋發(fā)生轉(zhuǎn)移。 滾子軸承將安裝在活動(dòng)或者附加的電流回路上。因此當(dāng)電流通過時(shí)，接地電刷必須形成一低電阻電流的電橋保護(hù)滾子軸承和獲得一個(gè)有效的接地。 以1伏電壓的電流通過軸承。電流的迅速增大可導(dǎo)致連貫性電壓降低大概 0.5 伏。

信號(hào)電流的轉(zhuǎn)移 與有效電流相反，各種信號(hào)系統(tǒng)有非常低的電流。在任何可能的情況下，這些電流的轉(zhuǎn)移必須是絕對(duì)安全的。對(duì)于這類電流轉(zhuǎn)移，電刷和相對(duì)運(yùn)動(dòng)面組合的材料是非常重要的，因?yàn)樵诳赡軐?dǎo)致非常低的電流負(fù)載的工作條件下，接地電刷必須形成一個(gè)聯(lián)系性低電阻電橋。

車輛的接地保護(hù)

所有的導(dǎo)電部件都必須與大地連接，因此軟軸和車輪通過接地裝置連接大地。通常情況下零部件和大地不存在電壓差，因此不存在電流感應(yīng)。接地提供對(duì)接觸電壓和與之有關(guān)危險(xiǎn)的保護(hù)。

接地電刷的功能是對(duì)所有正常工作車輛提供一個(gè)安全的電流連接形成可以定義的電流回路[2]。

2.2 原材料

試驗(yàn)用石墨粉購自青島晟泰有限責(zé)任公司，粒度為10～40μm，純度大于95%，經(jīng)過2800℃高溫精煉提純而成，粘結(jié)劑采用酚醛樹脂，購自蚌阜樹脂公司。所選用銅粉為福田公司生產(chǎn)的輕體銅粉，即銅粉的松裝密度在1.0g/cm3以下。本發(fā)明通過采用松裝密度在1.0g/cm3以下的銅粉可以使得制備的接地電刷在燒結(jié)的時(shí)候更容易形成金屬網(wǎng)格，使電刷電阻率降低，穩(wěn)定性好。輔材為錫粉，主要作用是與銅粉形成合金相，提高電刷的硬度、強(qiáng)度，耐磨性。本發(fā)明通過采用錫粉和銅粉形成合金錫青銅，獲得了提高電刷硬度、強(qiáng)度、耐磨性的效果，碳酸鋅，主要作用是在高溫中在碳的還原作用下形成圓形的納米級(jí)顆粒，嵌入到銅粉的樹枝狀結(jié)構(gòu)中，形成更加耐磨的合金相結(jié)構(gòu)。

2.3 試樣的制備

石墨粉粒度很細(xì)，在混合過程中加入酚醛樹脂后造粒使其粒度由10～40μm變?yōu)?60～270μm。將調(diào)好的樹脂與酒精按比例加入石墨粉中，在雙槳式混合鍋中混均，混一段時(shí)間后加熱至50～60℃，加熱恒溫約30min后用造粒機(jī)造粒，在烘干箱內(nèi)恒溫60℃烘干4小時(shí)，制得一階段料。一階段料與銅粉及錫粉、碳酸鋅、二硫化鉬粉以一定比例配合混均而成，混合時(shí)間約30min，具體的制備工藝如圖1所示。

圖1 接地電刷制備工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of preparation process of grounding brush

2.4 試驗(yàn)樣的熱失重分析

圖2 熱失重分析表Fig.2Thermogravimetic analysis

數(shù)據(jù)表明試驗(yàn)樣在 1000°C in% (m/m) 熱失重在2.04，說明材料在加熱過程中熱失重較小，熱處理比較完全，達(dá)到了理想化的熱處理狀態(tài)。

2.5 性能測試與表征

采用弘達(dá)抗壓試驗(yàn)機(jī)測試材料的彎曲強(qiáng)度，在以15mm/min的速度進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。測試結(jié)果取五次測量結(jié)果取平均值。硬度值的測量采用洛氏硬度計(jì)，由于同一平面上硬度值離散較大，在同一平面上測十個(gè)點(diǎn)取平均值。電刷的電阻率采用四端接法原理測得，測試結(jié)果取十次測量結(jié)果的平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)樣與進(jìn)口電刷性能數(shù)據(jù)對(duì)比

分析進(jìn)口接地電刷性能數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)樣在關(guān)鍵數(shù)據(jù)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于進(jìn)口電刷，數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示：

表1 試驗(yàn)樣與進(jìn)口電刷試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparison of test data between test sample and imported brush

3.2 國產(chǎn)電刷金相結(jié)構(gòu)分析

圖3 試驗(yàn)樣金相結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Metallographic structure of test sample

由電刷的金相圖可以看出試驗(yàn)樣結(jié)構(gòu)致密，顆粒分布均勻，保證了電刷基體材料的性能均一穩(wěn)定，電刷導(dǎo)流能力均勻，提高電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

3.3 試驗(yàn)樣與進(jìn)口電刷磨損值試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 試驗(yàn)樣與進(jìn)口電刷試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比（動(dòng)態(tài)）Table 2 Comparison of test data between test sample and imported brush (dynamic)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，試驗(yàn)樣的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于進(jìn)口電刷，試驗(yàn)室內(nèi)推算壽命可達(dá)118.22萬公里，完全滿足了客戶需求。

4 結(jié)論

①試驗(yàn)樣的靜態(tài)性能各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于進(jìn)口電刷，電刷的電阻率最低，能承受更大的電流。

②在試驗(yàn)中，試驗(yàn)樣材質(zhì)均勻一致，提高了接地電刷的穩(wěn)定性，可靠性。

③在臺(tái)架試驗(yàn)中，試驗(yàn)樣的磨損值低于進(jìn)口電刷，提高了接地電刷的使用壽命，滿足了客戶的使用要求。