浦江線APM300型電動列車集電靴部件磨損研究

摘 要 上海軌道交通浦江線采用了龐巴迪APM300型系統(tǒng)，是目前中運(yùn)量軌道交通的典型制式。因APM300制式的靴軌接觸形式特點(diǎn)，使得APM列車集電靴在一段時(shí)間的使用后會出現(xiàn)部件磨損的問題，若未及時(shí)處理會存在一定的靴軌沖突風(fēng)險(xiǎn)，因此通過研究如何降低集電靴部件磨損對于提高列車集電靴的可靠性性與經(jīng)濟(jì)性均有一定意義。本文通過研究上海軌道交通浦江線APM列車集電靴部件磨損原因，分析列車集電靴零部件損耗，明確集電靴總成變形趨勢，并結(jié)合目前實(shí)際情況，提出相應(yīng)的檢查、緩解或解決方案。

關(guān)鍵詞 浦江線;APM300;列車集電靴;部件磨損

1 APM300型電動列車受流系統(tǒng)介紹

龐巴迪INNOVIA APM300型中運(yùn)量膠輪路軌無人駕駛制式因其建設(shè)周期短，建造成本低，在世界多地的機(jī)場及市郊作為短距離快速運(yùn)輸被廣泛應(yīng)用。

APM300型電動列車每個(gè)轉(zhuǎn)向架安裝2套集電靴，位于導(dǎo)向輪上方，每節(jié)車配有4套集電靴，通過與±375V的兩根供電軌接觸的集電靴為列車供電。

在運(yùn)行過程中，集電靴碳刷與供電軌接觸，用于列車受流。隨著集電靴使用時(shí)間的增加，集電靴總成的部件會受到不同程度的磨損，造成集電靴工作狀態(tài)異常，存在正線脫靴、撞靴的隱患，由于列車供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為前后兩個(gè)集電靴連通，當(dāng)任一集電靴脫靴后，若受損部分與軌道導(dǎo)向梁或接地軌等發(fā)生接觸，將產(chǎn)生接地短路，導(dǎo)致供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，影響線路正常運(yùn)營。

為了降低因集電靴部件磨損發(fā)生的靴軌沖突故障，可從集電靴部件磨損原因進(jìn)行分析，尋找異常磨損的原因，從而尋求解決對策，是本文的主要研究內(nèi)容[1]。

2 APM300型電動列車集電靴結(jié)構(gòu)介紹

2.1 APM300型電動列車集電靴結(jié)構(gòu)

APM300型電動列車集電靴結(jié)構(gòu)如下圖1所示：

集電靴碳刷、受流銅板與絕緣子組件的前端部分為帶電部分，而絕緣子及其后端的其他部件均不帶電。

集電靴在列車行駛過程中，通過主彈簧的橫向分力保持集電靴碳刷與供電軌之間的相互接觸力，在通過彎道時(shí)，無論集電靴遠(yuǎn)離或接近供電軌，都能保持受流。而通過連桿結(jié)構(gòu)使得前后兩塊C形塊始終保持平行狀態(tài)，使絕緣子組件與供電軌保持相互垂直。此外，集電靴本身在實(shí)際使用中可以繞轉(zhuǎn)動軸上下擺動，得以適應(yīng)供電軌的高低變化。

3 浦江線電動列車集電靴損耗與分析

在集電靴運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著摩擦副損耗和受力部件變形老化，會出現(xiàn)總成結(jié)構(gòu)變形。

3.1 總成結(jié)構(gòu)變形原因

浦江線經(jīng)過近2年的使用，部分集電靴總成出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)變形情況。該結(jié)構(gòu)變形主要形式為絕緣子組件向下傾斜。如圖2所示：

該現(xiàn)象隨著列車運(yùn)行逐漸出現(xiàn)，會造成集電靴碳刷偏磨，壽命提前到限，更因其傾斜角度加劇，存在與軌罩干涉的可能，存在脫靴隱患。

集電靴的主要摩擦部件均集中在前后兩個(gè)C形塊上，除彈簧外，每個(gè)C形塊上共有4個(gè)摩擦副。根據(jù)集電靴設(shè)計(jì)文件，銅石墨軸承與外圈的C形塊為過盈配合，與內(nèi)圈的連桿為間隙配合。

通過對C形塊進(jìn)行受力分析，可以明確集電靴的關(guān)鍵受力位置，從而分析其損耗原因。

3.2 C形塊受力分析

前端C形塊主要水平方向受力包括：

（1）由絕緣子傳遞的集電靴接觸壓力（及輔助彈簧分擔(dān)的壓力）;

（2）連桿提供的支撐力;

（3）彈簧提供的拉力的水平分力;

（4）運(yùn)行中絕緣子組件尾桿傳遞的碳刷與供電軌的摩擦力（根據(jù)行駛方向不同）。

除水平作用力外，由于主彈簧作用力斜向上，前端C形塊還在垂向上的受力，包括：

（1）絕緣子組件的重力（除去碳刷的靜摩擦力），因重心在C形塊外部，A處向下，B處向上;

（2）彈簧拉力的垂向分力向上;

（3）自身重力;

（4）連桿及連桿開口銷提供的支撐力[2]。

其工作狀態(tài)下的理想受力與摩擦副受力區(qū)域如圖3所示（垂向力中未標(biāo)示連桿支撐力）。

平直道工作狀態(tài)下彈簧由自由狀態(tài)95mm拉伸至115mm，拉伸力取典型140N，其橫向分力約為80.5N，縱向分力約111N，垂向分力約28N。經(jīng)計(jì)算，A桿受壓力46N，B桿受拉力160N，此時(shí)接觸壓力約55N。

后端C形塊主要受力包括：

（1）轉(zhuǎn)動軸提供的支撐力;

（2）連桿傳遞的作用力。

由于后端C形塊受連桿力后呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢，轉(zhuǎn)動軸與軸承為間隙配合，其工作狀態(tài)下的理想受力與摩擦副受力區(qū)域如圖4所示。

3.3 C形塊摩擦副磨損分析

根據(jù)磨損原理，磨損可分為磨粒磨損、粘著磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損。

在集電靴C形塊摩擦副中，主要的磨損類型為表面疲勞磨損和磨粒磨損。其中，磨粒磨損為外界細(xì)小顆粒進(jìn)入摩擦副內(nèi)引起，而表面疲勞磨損為受力引起。而由于集電靴機(jī)構(gòu)動作速度緩慢，溫升低，不易發(fā)生粘著磨損。

如圖5所示：前端C形塊在彈簧力和絕緣子自重下具備逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢，通過連桿與銅石墨軸承之間的配合對該旋轉(zhuǎn)予以限制，并通過開口銷對連桿的垂向運(yùn)動進(jìn)行限位。由于連桿與銅石墨軸承為間隙配合，隨著摩擦副逐漸磨損，摩擦副截面會產(chǎn)生變化。

對于轉(zhuǎn)動軸，由于后端C形塊除重力外，不受較大的上下方向的作用力（僅通過連桿傳遞較小的彈簧力），且在實(shí)際工作中，集電靴僅由于走行面與供電軌高低差變化而上下運(yùn)動，由于供電軌寬度大于集電靴碳刷，碳刷在間隙內(nèi)具備一定的上下運(yùn)動幅度，因此轉(zhuǎn)動軸摩擦副動作幅度小，并且非持續(xù)動作，因而轉(zhuǎn)動軸摩擦副的上下不存在較深的疲勞磨損，得以保持后端C形塊的水平狀態(tài)。

對于連桿，其兩端摩擦副主要磨損原因是集電靴的橫向運(yùn)動。由于在通過彎道，折返，岔區(qū)時(shí)，集電靴的橫向擺動角度約為±15°，而在平直道上，由于列車導(dǎo)向間隙及供電軌的橫向偏差，造成運(yùn)行過程中，連桿摩擦副持續(xù)受到摩擦，因此其磨損情況遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)動軸摩擦副。

根據(jù)受力分析，連桿B（外側(cè)連桿）在實(shí)際使用過程中，其受力大于連桿A（內(nèi)側(cè)連桿），因而B桿兩端摩擦副的疲勞磨損均大于A。造成集電靴結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形：

（1）在后端C形塊，由于B桿受力大于A桿，磨損后，B桿在摩擦副內(nèi)向上轉(zhuǎn)動角度大于A桿，體現(xiàn)在前端C形塊處，B桿高于A桿。

（2）在前端C形塊處，B桿高于A桿，且A、B桿摩擦副均有磨損，造成C形塊傾斜，體現(xiàn)在絕緣子組件向下傾斜[3]。

3.4 小結(jié)

通過上述分析，明確了集電靴部件各類損耗形式產(chǎn)生的原因，為后續(xù)研究解決方案建立了基礎(chǔ)。

4 集電靴磨損解決方案研究

4.1 總成結(jié)構(gòu)磨損變形解決方案研究

由于集電靴總成結(jié)構(gòu)變形的原因?yàn)槟Σ粮蹦p，根據(jù)磨損的基本原理，對于剛性材料摩擦，可以通過降低摩擦系數(shù)、改善接觸力分布、改變摩擦類型來減小其摩擦磨損。

（1）降低摩擦系數(shù)

通過優(yōu)化摩擦環(huán)境、使用合適的潤滑油脂，減小摩擦副摩損，是減緩集電靴總成變形趨勢的方式之一。

由于集電靴在列車底部多塵環(huán)境工作，摩擦副間隙易收到細(xì)小粉塵顆粒侵入，造成潤滑油失效，并產(chǎn)生磨粒磨損。

方案1：增加橡膠防塵蓋，并定期對軸承與連桿、轉(zhuǎn)動軸的接觸面進(jìn)行潤滑

優(yōu)勢：橡膠防塵蓋與連桿、轉(zhuǎn)動軸之間貼合，避免粉塵或飛濺的雨水進(jìn)入摩擦副，同時(shí)也能減少摩擦副內(nèi)潤滑油脂和石墨粉流失。且增加橡膠防塵墊本身成本較低，便于在集電靴總成修復(fù)期間予以安裝。

難點(diǎn)：需要通過一定方式保證橡膠防塵墊與C形塊的貼合。由于C形塊為鋁鑄件，表面粗糙度較高，可以在防塵墊外圈使用膠進(jìn)行粘接，或直接使用連桿上下的開口銷對防塵墊進(jìn)行壓緊。

缺點(diǎn)：由于防塵墊的存在，潤滑油脂的加注較原先更為困難，需要對連桿、轉(zhuǎn)動軸進(jìn)行拆卸后方能加注。又因防塵墊本身為橡膠件，存在老化、開裂可能，需要加強(qiáng)檢查并根據(jù)其損壞情況及時(shí)更換。且純粹依靠橡膠防塵墊，僅能減少磨粒磨損，提升潤滑效果，但不可完全避免表面疲勞磨損。

綜上所述，采用橡膠防塵蓋可以適當(dāng)提高總成摩擦副壽命，降低總成變形趨勢，其成本較為低廉，但會增加集電靴的檢查和維護(hù)量[4]。

（2）改善接觸力分布

由于受力影響，磨損集中在摩擦副的特定位置，造成集電靴總成變形，影響其使用壽命。若通過合理方式，使連桿與前端C形塊之間的作用力得到分散，將能夠有效提高集電靴使用壽命。

（3） 改變摩擦類型

由于現(xiàn)有C形塊摩擦副采用滑動摩擦軸套，通過改變摩擦類型，使用軸承將摩擦改變?yōu)闈L動摩擦，可以在一定程度上減小磨損集中。

方案2：用帶內(nèi)套的滾針軸承對銅石墨軸承進(jìn)行替代

優(yōu)勢：通過滾針軸承將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，并且通過軸承保持架與內(nèi)外圈之間的旋轉(zhuǎn)，使得作用力不集中在單個(gè)區(qū)域內(nèi)，可以有效提高集電靴使用壽命。

難點(diǎn)：為保證配合，軸承安裝至C形塊，連桿、轉(zhuǎn)動軸安裝至軸承均需要壓裝，拆換困難。

缺點(diǎn)：使用軸承需要對原有的C形塊進(jìn)行改造，或全部替代為尺寸、材料不同的新C形塊，需要對其承載進(jìn)行重新計(jì)算和試驗(yàn)，然后進(jìn)行集電靴分解重裝。單次投入成本較高，改造工期長。

綜上所述，采用軸承替代提高總成摩擦副壽命，降低總成變形趨勢，其成本高昂，改造周期較長。

4.2 小結(jié)

上述三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)浦江線目前的集電靴狀態(tài)，可優(yōu)先采用方案1延緩磨損，并通過研究方案2， 尋求徹底解決方案[5]。

5 結(jié)束語

APM300型列車由于其低轉(zhuǎn)彎半徑，低環(huán)境噪音的優(yōu)勢，具備一定的發(fā)展前景，而作為供電系統(tǒng)的核心設(shè)備集電靴，其可靠性、使用壽命至關(guān)重要，本文通過研究集電靴磨損的原因，為后續(xù)解決此類問題提供了方向，具有一定的實(shí)踐意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 向定漢，姚正軍，駱心怡，等.銅/塑自潤滑軸承TS—100的摩擦磨損試驗(yàn)研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，34（3）：226-229.

[2] 佚名.固體自潤滑軸承的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].軸承，2004，（3）：11-13.

[3] 徐榮，侯克青.摩擦與磨損[J].煤，2005，14（6）：60-61.

[4] 王愛林，洪玉芳，汪久根.滾針軸承接觸分析[J].軸承，2011，（11）：5-8.

[5] B. K. Prasad. Sliding Wear Response of a Bronze Bushing： Influence of Applied Load and Test Environment[J]. Journal of Materials Engineering & Performance，2012，21（10）：2155-2164.

作者簡介

王琰（1987-），男，上海人;工程師，現(xiàn)就職單位：上海申凱公共交通運(yùn)營管理有限公司，研究方向：城市軌道交通設(shè)備維護(hù)管理工作研究。