磁浮列车受流器靴板选型试验研究

刘曰锋，张豪谦，纪宏超，魏江

(1.中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山 064002；2.华北理工大学机械工程学院，河北唐山 063210；3.清远磁浮交通有限公司，广东清远 511500)

0 前言

磁浮列车具有噪声低、转弯半径小、爬坡能力强、绿色环保等优点，正成为一种新型城市轨道交通方式，是对城市轨道交通的重要补充。而受流器是磁浮列车的受电设备，长沙机场线的运营实践表明，受流器靴板与第三轨之间的磨损十分严重，增加了运营成本。受流器靴板与第三轨间良好的摩擦状态是列车运行安全的前提条件，其靴板的磨耗寿命严重影响整车的运行安全及维护成本。研制结构更优、靴板更耐磨的受流器，并实现与供电轨的匹配，提高靴板的使用寿命，降低车辆的运营成本，一直是运营公司关注的重点方向。

1 受流器结构设计

受流器结构如图1所示，它由底座、靴臂、靴板、扭力弹簧、电缆等部件组成。受流器通过扭力弹簧将弹簧力传递给靴板使得受流器和第三轨稳定接触，确保磁浮列车的正常受流。供电电流不直接经过受流器机械部分，受流器整体绝缘不带电。

图1 受流器结构

底座如图2所示，由碳钢焊接后加工而成，表面喷漆处理，以达到防腐的目的。靴臂安装在底座上，通过一只316不锈钢材料的轴铰接，标准件都采用不锈钢材料，并设有防松装置。

图2 底座外形 图3 上靴臂外形

靴臂如图3所示，采用的是BMC 玻璃纤维树脂成分的绝缘材料，阻燃并且无烟毒，具有很高的强度与绝缘性能。靴臂与底座铰接部位设置有含油免维护轴承，与靴板支架铰接部位设置有滚针轴承，轴承两侧设有防尘装置，轴同样采用316不锈钢材料并设有注油孔。上方有电缆固定支架。

靴板如图4所示，采用链条式分块受流板结构，内设减振机构。靴板为球墨铸铁材质，具有很好的导电性能，且具有不拉弧、噪声小的特点。球磨铸铁的滑板在国外三轨受流系统中也有广泛应用，其特点是使用寿命比浸金属碳滑板长，同时，球磨铸铁对三轨轨面润滑性能与浸金属碳滑板相当。

图4 靴板外形

图5所示为受流器中设置的扭力弹簧，它提供受流器与导电轨的接触力，接触力稳定可靠。

图5 扭力弹簧

2 靴板材质分析

目前比较常用的几种靴板材料的硬度如下：球墨铸铁QT500-7，按照铸铁类别测量，其硬度范围为180～230HB；MT85A型浸金属碳滑板(摩根)，按照非金属材料硬度测量方法测量的硬度为90HS；304不锈钢材料，按照不锈钢硬度测量方法测量的硬度为150～187HB。

由于不同材料的硬度测量标准不一致，测量方式也不一样，一般不具备可比性，不能直接对比。但是，如果参照硬度对比手册，将上述3种材料的硬度换算到一个可以对比的参照表格中，如表1所示。

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表1 常见靴轨摩擦副材料机械性能参照对比

由表1可知：

(1)浸金属碳的硬度最大，约是球磨铸铁或不锈钢的4倍以上；

(2)浸金属碳滑板是常用滑板材料之一，它对钢铝复合轨的磨耗很小，说明磨耗与硬度没有直接关系；

(3)QT500-7球墨铸铁是另一种常见的滑板材料，而且其导电性能优于碳滑板，且在与不锈钢的相互摩擦中，自身为磨耗材料，对不锈钢的磨耗很少。

为比较不同材料的硬度，用统一的不锈钢硬度测量方法对3种材料的硬度进行实际测量，测量结果如表2所示。

表2 常见靴轨摩擦材料硬度实际测量结果

由表2可知：

(1)浸金属碳滑板硬度最大，远高于不锈钢和球墨铸铁，且其硬度超出了硬度测量仪器的量程500HB，因此结果是大于等于500HB；

(3)硬度是物质分子结构变形能力的参数，不是内部连接强度的指标；对于不同种类的物质，其硬度比较意义不大，也不表示其耐磨性或分子连接强度。

3 靴板磨耗试验

3.1 试验目的

为进一步为受流器靴板的选型提供依据，在受流器磨耗试验台上，针对链条式球墨铸铁受流靴及普通型浸金属受流靴分别在不同环境下开展磨耗试验，并对比分析观察记录的试验数据，以确定受流器靴板材质。

3.2 试验设备

旋转试验台是模拟轨道运行的装置，如图6所示。选用某公司3000A接触轨作为摩擦轨道。接触轨是由超高导电性的铝合金型材和不锈钢型材通过焊接加工制成，不锈钢型材表面用于受流靴取电的接触面，要求具有较高的耐磨性。试验台受流接触轨轨面的平整度要求较高，但为更真实地模拟实际运行轨道的状态，在试验台的轨面上，按照标准要求，设置高差为0.2 mm的钢板，用于模拟运行轨道轨与轨之间的接缝。链条式球墨铸铁受流靴(后文简称链条式受流靴)和普通浸金属碳受流靴(后文简称浸金属碳受流靴)各一套，同时采用压力计测量接触压力，通过游标卡尺测量磨损量，利用计时器计算运行时间，采用淋雨喷水装置模拟雨天潮湿轨道。

图6 旋转试验台

3.3 试验方案

在干燥环境下，将受流靴装配完成后，调节受流靴板中弹簧力为(75±25)N，同时使受流器靴臂板大弹簧的扭力在受流靴上产生压力与之平衡，并用测力计确认接触压力。调节支架高度使受流靴与供电轨相接触，打开供电电源，试验电流分别为200、600 A，运行线速度为60 km/h。按照上述测试条件，在运行时间10、20、40、60、80 h情况下，使用游标卡尺测量滑靴的磨损量。同时，与浸金属碳受流靴进行对比试验，其中两种受流靴的有效磨损高度均为12 mm，链条式受流靴对轨面的压力不小于75 N，浸金属碳受流靴对轨面的压力为120 N。同时观察记录受流板和接触轨接触带电受流并通过0.2 mm台阶时，是否有拉弧现象。潮湿环境测试需在试验轨附近安装喷水装置模拟雨天潮湿轨道，其试验方法与干燥试验相同。

3.4 试验结果及分析

在干燥环境运行中10、20、40、60、80 h后，经过测量可以得到干燥环境下受流靴磨耗量曲线如图7所示，链条式和浸金属碳滑板在不同条件下磨损量比较结果如表3所示。

图7 干燥环境不同条件下受流靴磨耗量曲线

表3 干燥环境试验数据

由图8、表3可得出如下结果：

(1)试验中，轨旋转速度为60 km/h、电流为600 A，经计算可知链条式受流靴可运营77 800 km，而浸金属碳受流靴的寿命为67 700 km；

(2)随着电流的增加，磨耗量增加；

(3)链条式受流靴的磨耗量小于浸金属碳靴板的磨耗量。

通过相同的方法，在试验轨附近安装喷水装置，经测量得到淋雨环境下受流靴的磨损曲线如图8所示，链条式和浸金属碳滑板在不同条件下的磨损量比较结果如表4所示。

图8 淋雨环境不同条件下受流靴磨耗量曲线

表4 淋雨环境磨耗试验数据

由图8、表4可得出如下结果：

(1)试验中，轨旋转速度为60 km/h、电流为600 A，经计算可知，链条式受流靴可运营72 900 km，而浸金属受流靴的寿命为63 200 km；

(2)随着电流的增加，磨耗量增加；

(3)链条式受流靴的磨耗量小于浸金属碳受流靴磨耗量；

(4)有淋雨的情况下，磨耗量增加。

3.5 受流轨磨耗分析

试验结束后，接触轨磨损微小，受流靴材料的不同与受流轨的磨耗没有必然联系。

4 结论

无论是硬度非常大的浸铜碳滑板，还是硬度接近的球墨铸铁，都与不锈钢接触轨有着良好的磨损匹配性，相比之下，球墨铸铁不仅能减少对接触轨的磨损，还可以减小界面电阻，节能环保。受流靴磨耗量随运行时间、工作电流的增加而增大，雨天环境会增加受流靴磨耗。与浸金属碳受流靴相比，在相同环境、相同运行时间下，链条式受流靴磨耗具有不拉弧、磨耗小的优点；两种受流靴材质对接触轨的磨损均不明显。由此可见，相比之下，链条式球墨铸铁受流靴有更优良的耐磨损性能，能够有效降低磁浮列车的维护成本，提高车辆运营效率。