浦江线APM300型电动列车集电靴部件磨损研究

摘 要 上海轨道交通浦江线采用了庞巴迪APM300型系统，是目前中运量轨道交通的典型制式。因APM300制式的靴轨接触形式特点，使得APM列车集电靴在一段时间的使用后会出现部件磨损的问题，若未及时处理会存在一定的靴轨冲突风险，因此通过研究如何降低集电靴部件磨损对于提高列车集电靴的可靠性性与经济性均有一定意义。本文通过研究上海轨道交通浦江线APM列车集电靴部件磨损原因，分析列车集电靴零部件损耗，明确集电靴总成变形趋势，并结合目前实际情况，提出相应的检查、缓解或解决方案。

关键词 浦江线;APM300;列车集电靴;部件磨损

1 APM300型电动列车受流系统介绍

庞巴迪INNOVIA APM300型中运量胶轮路轨无人驾驶制式因其建设周期短，建造成本低，在世界多地的机场及市郊作为短距离快速运输被广泛应用。

APM300型电动列车每个转向架安装2套集电靴，位于导向轮上方，每节车配有4套集电靴，通过与±375V的两根供电轨接触的集电靴为列车供电。

在运行过程中，集电靴碳刷与供电轨接触，用于列车受流。随着集电靴使用时间的增加，集电靴总成的部件会受到不同程度的磨损，造成集电靴工作状态异常，存在正线脱靴、撞靴的隐患，由于列车供电系统设计为前后两个集电靴连通，当任一集电靴脱靴后，若受损部分与轨道导向梁或接地轨等发生接触，将产生接地短路，导致供电系统出现故障，影响线路正常运营。

为了降低因集电靴部件磨损发生的靴轨冲突故障，可从集电靴部件磨损原因进行分析，寻找异常磨损的原因，从而寻求解决对策，是本文的主要研究内容[1]。

2 APM300型电动列车集电靴结构介绍

2.1 APM300型电动列车集电靴结构

APM300型电动列车集电靴结构如下图1所示：

集电靴碳刷、受流铜板与绝缘子组件的前端部分为带电部分，而绝缘子及其后端的其他部件均不带电。

集电靴在列车行驶过程中，通过主弹簧的横向分力保持集电靴碳刷与供电轨之间的相互接触力，在通过弯道时，无论集电靴远离或接近供电轨，都能保持受流。而通过连杆结构使得前后两块C形块始终保持平行状态，使绝缘子组件与供电轨保持相互垂直。此外，集电靴本身在实际使用中可以绕转动轴上下摆动，得以适应供电轨的高低变化。

3 浦江线电动列车集电靴损耗与分析

在集电靴运行一段时间后，随着摩擦副损耗和受力部件变形老化，会出现总成结构变形。

3.1 总成结构变形原因

浦江线经过近2年的使用，部分集电靴总成出现了结构变形情况。该结构变形主要形式为绝缘子组件向下倾斜。如图2所示：

该现象随着列车运行逐渐出现，会造成集电靴碳刷偏磨，寿命提前到限，更因其倾斜角度加剧，存在与轨罩干涉的可能，存在脱靴隐患。

集电靴的主要摩擦部件均集中在前后两个C形块上，除弹簧外，每个C形块上共有4个摩擦副。根据集电靴设计文件，铜石墨轴承与外圈的C形块为过盈配合，与内圈的连杆为间隙配合。

通过对C形块进行受力分析，可以明确集电靴的关键受力位置，从而分析其损耗原因。

3.2 C形块受力分析

前端C形块主要水平方向受力包括：

（1）由绝缘子传递的集电靴接触压力（及辅助弹簧分担的压力）;

（2）连杆提供的支撑力;

（3）弹簧提供的拉力的水平分力;

（4）运行中绝缘子组件尾杆传递的碳刷与供电轨的摩擦力（根据行驶方向不同）。

除水平作用力外，由于主弹簧作用力斜向上，前端C形块还在垂向上的受力，包括：

（1）绝缘子组件的重力（除去碳刷的静摩擦力），因重心在C形块外部，A处向下，B处向上;

（2）弹簧拉力的垂向分力向上;

（3）自身重力;

（4）连杆及连杆开口销提供的支撑力[2]。

其工作状态下的理想受力与摩擦副受力区域如图3所示（垂向力中未标示连杆支撑力）。

平直道工作状态下弹簧由自由状态95mm拉伸至115mm，拉伸力取典型140N，其横向分力约为80.5N，纵向分力约111N，垂向分力约28N。经计算，A杆受压力46N，B杆受拉力160N，此时接触压力约55N。

后端C形块主要受力包括：

（1）转动轴提供的支撑力;

（2）连杆传递的作用力。

由于后端C形塊受连杆力后呈逆时针旋转趋势，转动轴与轴承为间隙配合，其工作状态下的理想受力与摩擦副受力区域如图4所示。

3.3 C形块摩擦副磨损分析

根据磨损原理，磨损可分为磨粒磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损。

在集电靴C形块摩擦副中，主要的磨损类型为表面疲劳磨损和磨粒磨损。其中，磨粒磨损为外界细小颗粒进入摩擦副内引起，而表面疲劳磨损为受力引起。而由于集电靴机构动作速度缓慢，温升低，不易发生粘着磨损。

如图5所示：前端C形块在弹簧力和绝缘子自重下具备逆时针旋转趋势，通过连杆与铜石墨轴承之间的配合对该旋转予以限制，并通过开口销对连杆的垂向运动进行限位。由于连杆与铜石墨轴承为间隙配合，随着摩擦副逐渐磨损，摩擦副截面会产生变化。

对于转动轴，由于后端C形块除重力外，不受较大的上下方向的作用力（仅通过连杆传递较小的弹簧力），且在实际工作中，集电靴仅由于走行面与供电轨高低差变化而上下运动，由于供电轨宽度大于集电靴碳刷，碳刷在间隙内具备一定的上下运动幅度，因此转动轴摩擦副动作幅度小，并且非持续动作，因而转动轴摩擦副的上下不存在较深的疲劳磨损，得以保持后端C形块的水平状态。

对于连杆，其两端摩擦副主要磨损原因是集电靴的横向运动。由于在通过弯道，折返，岔区时，集电靴的横向摆动角度约为±15°，而在平直道上，由于列车导向间隙及供电轨的横向偏差，造成运行过程中，连杆摩擦副持续受到摩擦，因此其磨损情况远大于转动轴摩擦副。

根据受力分析，连杆B（外侧连杆）在实际使用过程中，其受力大于连杆A（内侧连杆），因而B杆两端摩擦副的疲劳磨损均大于A。造成集电靴结构出现变形：

（1）在后端C形块，由于B杆受力大于A杆，磨损后，B杆在摩擦副内向上转动角度大于A杆，体现在前端C形块处，B杆高于A杆。

（2）在前端C形块处，B杆高于A杆，且A、B杆摩擦副均有磨损，造成C形块倾斜，体现在绝缘子组件向下倾斜[3]。

3.4 小结

通过上述分析，明确了集电靴部件各类损耗形式产生的原因，为后续研究解决方案建立了基础。

4 集电靴磨损解决方案研究

4.1 总成结构磨损变形解决方案研究

由于集电靴总成结构变形的原因为摩擦副磨损，根据磨损的基本原理，对于刚性材料摩擦，可以通过降低摩擦系数、改善接触力分布、改变摩擦类型来减小其摩擦磨损。

（1）降低摩擦系数

通过优化摩擦环境、使用合适的润滑油脂，减小摩擦副摩损，是减缓集电靴总成变形趋势的方式之一。

由于集电靴在列车底部多尘环境工作，摩擦副间隙易收到细小粉尘颗粒侵入，造成润滑油失效，并产生磨粒磨损。

方案1：增加橡胶防尘盖，并定期对轴承与连杆、转动轴的接触面进行润滑

优势：橡胶防尘盖与连杆、转动轴之间贴合，避免粉尘或飞溅的雨水进入摩擦副，同时也能减少摩擦副内润滑油脂和石墨粉流失。且增加橡胶防尘垫本身成本较低，便于在集电靴总成修复期间予以安装。

难点：需要通过一定方式保证橡胶防尘垫与C形块的贴合。由于C形块为铝铸件，表面粗糙度较高，可以在防尘垫外圈使用胶进行粘接，或直接使用连杆上下的开口销对防尘垫进行压紧。

缺点：由于防尘垫的存在，润滑油脂的加注较原先更为困难，需要对连杆、转动轴进行拆卸后方能加注。又因防尘垫本身为橡胶件，存在老化、开裂可能，需要加强检查并根据其损坏情况及时更换。且纯粹依靠橡胶防尘垫，仅能减少磨粒磨损，提升润滑效果，但不可完全避免表面疲劳磨损。

综上所述，采用橡胶防尘盖可以适当提高总成摩擦副寿命，降低总成变形趋势，其成本较为低廉，但会增加集电靴的检查和维护量[4]。

（2）改善接触力分布

由于受力影响，磨损集中在摩擦副的特定位置，造成集电靴总成变形，影响其使用寿命。若通过合理方式，使连杆与前端C形块之间的作用力得到分散，将能够有效提高集电靴使用寿命。

（3） 改变摩擦类型

由于现有C形块摩擦副采用滑动摩擦轴套，通过改变摩擦类型，使用轴承将摩擦改变为滚动摩擦，可以在一定程度上减小磨损集中。

方案2：用带内套的滚针轴承对铜石墨轴承进行替代

优势：通过滚针轴承将滑动摩擦变为滚动摩擦，并且通过轴承保持架与内外圈之间的旋转，使得作用力不集中在单个区域内，可以有效提高集电靴使用寿命。

难点：为保证配合，轴承安装至C形块，连杆、转动轴安装至轴承均需要压装，拆换困难。

缺点：使用轴承需要对原有的C形块进行改造，或全部替代为尺寸、材料不同的新C形块，需要对其承载进行重新计算和试验，然后进行集电靴分解重装。单次投入成本较高，改造工期长。

综上所述，采用轴承替代提高总成摩擦副寿命，降低总成变形趋势，其成本高昂，改造周期较长。

4.2 小结

上述三种方案各有优缺点，根据浦江线目前的集电靴状态，可优先采用方案1延缓磨损，并通过研究方案2， 寻求彻底解决方案[5]。

5 结束语

APM300型列车由于其低转弯半径，低环境噪音的优势，具备一定的发展前景，而作为供电系统的核心设备集电靴，其可靠性、使用寿命至关重要，本文通过研究集电靴磨损的原因，为后续解决此类问题提供了方向，具有一定的实践意义。

参考文獻

[1] 向定汉，姚正军，骆心怡，等.铜/塑自润滑轴承TS—100的摩擦磨损试验研究[J].南京航空航天大学学报，34（3）：226-229.

[2] 佚名.固体自润滑轴承的设计与应用[J].轴承，2004，（3）：11-13.

[3] 徐荣，侯克青.摩擦与磨损[J].煤，2005，14（6）：60-61.

[4] 王爱林，洪玉芳，汪久根.滚针轴承接触分析[J].轴承，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.

作者简介

王琰（1987-），男，上海人;工程师，现就职单位：上海申凯公共交通运营管理有限公司，研究方向：城市轨道交通设备维护管理工作研究。