动车组接地装置的结构原理以及关键部件设计

动车组接地装置的结构原理以及关键部件设计

卢建华1，2

（1、中车唐山机车车辆有限公司 河北省唐山市丰润区厂前路3号邮编：064000

2、河北省轨道车辆转向架技术创新中心，河北，唐山 064000）

摘  要：本论文重点描述了动车组接地装置的原理分析、功能以及性能指标、结构组成、以及关键部件的设计。

关键词：接地装置  结构原理  关键部件设计

1  概述

由于在电路中的滚动轴承是滚道和滚动体之间为点接触，电流在旋转中的轴承的滚道和滚动体的接触部分流动时，通过薄薄的润滑油膜时会发出火花，导致轴承滚道或滚子表面出现局部的熔融和凹凸现象，造成轴承损坏。

因此在电动车组转向架上的通常需设置接地装置，接地装置是保证电流直接从轮对流出，防止电流流过如轴承等旋转部件的装置。接地装置按照功能区分分为工作接地和保护接地。

工作接地装置作为高压电气牵引系统的关键部件，与牵引变压器次边联接，通过其内部的碳刷和摩擦盘将电流导到钢轨，实现高压系统从牵引变电所～接触网～动车组～钢轨～牵引变电所的完整回路，同时保证电流不通过轴承滚动体。

图1-1  工作接地示意图

保护接地装置起到短路轴承内外圈作用，利用接地装置低电阻的接触性能，提供电流从车体回到钢轨的工作回路，将车上的感应电流、泄漏电流等杂散电流导入钢轨，避免电流通过轴承滚动体。

图1-2 保护接地装置示意图

2  功能以及性能指标

在动车组的拖车，牵引变压器需要接地装置构成高压回路，使工作电流形成工作回路，工作过程中承受动车组运行需要的高压回路的电流强度。按照实际测算的整车工作电流，在启动和加速至300km/h的过程中，工作回路的电流在470A以下，在制动的时候，因为制动电流的叠加作用，短时工作电流会超过470A。这样，在正常的负荷情况下，接地装置的连续工作电流是470A，短时的冲击负荷的工作电流在700A。因为电路上两套接地装置是并联关系，通过冗余设计采用两套接地装置并联构成接地回路，正常工作时的单套的工作电流是单个牵引变压器高压电流的一半。

碳刷和摩擦盘的导电设计是利用碳刷和摩擦盘的滑动接触实现的，要求碳刷和摩擦盘之间的电阻值足够小，能够实现短路轴承内外圈的作用。同时对碳刷的要求即能够承受大电流导电，低温升速度，导电性可靠的同时还要保证低磨耗量的磨损。

考虑运行中车辆的颠簸震动过程，会造成碳刷和摩擦盘的接触不良，可能会造成拉弧灼伤，需保持碳刷能够紧密的接触在摩擦盘上，不会因振动导致脱开拉弧。

还要保证可能与人员接触部位的电气安全和机械结构的安全性能。

综上所述，接地装置在进行设计时，接地装置的性能指标需要兼顾以下几个方面的要求。

表1 接地装置技术性能分析

接地装置的整体构成主要由接地盖、摩擦盘、碳刷架、弹簧、碳刷、接地电缆等组成。其中碳刷架安装在接地盖内，碳刷安装在碳刷架内，接地电缆连接到碳刷架上，摩擦盘安装在转向架轴端。

图2-1接地装置结构爆炸图

摩擦盘是随车轮作圆周运动的旋转件，接地盖和碳刷是经过接地电缆连接在车体相关部件上的固定部件。

碳刷和摩擦盘的滑动接触导电部分是集电环，集电环是接地装置承担整车工作电流通过能力最薄弱的部分。所以碳刷和摩擦盘集电环的运转磨耗性能对整车运行是至关重要的。

3  关键部件设计

根据表1的条件分析，其中第1-第3项所列的电流传导性能好，接触压降低，载流470A的工况下运行温度不高于120°C,都涉及到碳刷和摩擦盘这两个关键部件。

接地盖的材料的选用也很重要，材料选择不当，会产生结构破损的现象，如果采用金属接地盖，绝缘性能又可能不合格。所以既要选择绝缘性能好，机械强度又高的产品，对于非金属材料的选择就很重要。

1、摩擦盘的结构和性能分析

摩擦盘由集电环和绝缘盘复合加工而成，集电环作为承接工作电流的旋转部件，首先要具备良好的导电性能，同时具备安装在轴端上做需要的机械结构强度的基本要求。集电环的加工成品率和工艺特性控制很重要，制成合格品后再和工程塑料进一步复合加工形成摩擦盘。

摩擦盘的绝缘材料以工程塑料为主，摩擦盘的外圆采用机械迷宫的凹槽结构，防止碳粉进入轮轴。

摩擦盘的性能主要体现在机械强度、加工精度、绝缘材料的工艺性、集电环的耐磨性、持续工作温度等。摩擦盘的机械强度、加工精度、工艺性是绝缘盘材料的特性指标，集电环的耐磨性、持续工作温度是集电环的特性指标。

绝缘盘材料的选型设计上要选择机械强度高的材料，拉伸弹性模量一般不低于10000Mpa以上，具备可加工型，阻燃效果好，耐水性好耐候性好，耐低温性好等特点。

为保证良好的导电性能，集电环材料以黄铜为基础，添加不同的微量元素，形成铜合金，达到集电环需要的各种特性要求，其中Sn 主要起润滑作用并增加硬度和耐腐蚀性、Pb 可改善切削性和耐磨性、Ni 能够增加强度。

采用不同的铜合金牌号，如CuSn6、CuSn8、CuSn9、CuSn10、CuSn12 等，随着Sn 含量增加，摩擦盘硬度相应增加，但摩擦盘中Sn 含量不易过大，超过12% 将会使摩擦盘铸造成品率大大降低。

集电环的加工工艺采用铸造工艺，铸造过程中添加多种微量元素形成铜合金，通过调节微量元素的添加和成分比例实现集电环的高速耐磨性能，大电流密度的导电性，可靠地机械强度固定指标的实现。铸造完成后形成铜坯，集电环毛坯制成后，按照图纸对毛坯进行加工，集电环的表面加工精度要求高，以精车和磨削加工两种方式获得。

非金属部分可通过模压成形方式制造，将配方中的液体组份和其它助剂先在高速打浆机中充分分散、搅拌制备成糊料；然后将配方中的粉体填料投入捏合机中稍加拌和，将上述准备好的糊料倒入搅拌机机中,进行充分的捏合拌和,将配方中的短切玻纤,在开机状态下撒落在已拌匀的膏体上,强力拌和至玻纤都被膏体包覆浸渍即可,不宜过久而折断玻纤引起降解;倾倒出料。在加热的模具中填入称好的团料，固定好嵌件夹具，合上模，加温加压固化，拆模，取件。

  图3-1  摩擦盘

2、碳刷的结构和性能分析

碳刷的分类有三种，分别是石墨碳刷、电化石墨碳刷、金属石墨碳刷，接地装置的碳刷是金属石墨碳刷，金属石墨碳刷的基础材料是电解铜粉。

碳刷制备的过程是将电解铜粉研磨后筛粉，得到碳刷的基本材料，根据需要加入一定比例的石墨粉末和微量元素，在模具中高压成型，成型以后进行高温烧培，得到碳刷基材的板材，根据产品尺寸进行切割，得到需要的大小尺寸，然后嵌制铜编织引线和接线端子形成成品碳刷。

接地装置的碳刷的指标要求在碳刷选型的各种条件下是比较高的综合要求，高速性能好，允许电流密度高，机械硬度高，金属含量高，磨合性和磨损要好。

金属石墨碳刷的主要性能指标有以下几项，选用范围参考如下：

A机械强度55Mpa以上

B硬度HB70以上

C允许圆周速度30m/s

D允许电流密度22A/cm²

E金属含量75%以上

F接线端子的机械强度

3、碳刷和摩擦盘集电环的滑动导电的原理分析

碳刷安装在接地盖上并固定在轴箱盖，是固定不动的，通过恒力弹簧的作用实现轴向的少量的机械窜动的间隙调整，没有径向的位置移动，相对摩擦盘是固定不动的部件。

摩擦盘是安装在轴上并随轮轴一起旋转的部件。

碳刷和摩擦盘的导电过程是一种圆周滑动导电的过程，类似于直流电机的换向器和碳刷的导电过程，只不过是换向器换成了导电盘，工作电源换成了交流电流，而且是交流高压末端的接地部件。

形成良好的滑动导电和减少磨损的关键是在集电环上形成氧化膜，一旦形成氧化膜，对碳刷和集电环都起到了良好的保护作用。

氧化膜是一种电化学过程作用下，铜离子和碳离子紧密融化形成的分子结构，既有一定的硬度，又有良好的润滑性和低电压下良好的导电性。氧化膜形成的条件与电流密度、运转速度、材质特性、空气湿度等多种条件有关，集电环和碳刷的滑动接触在合适的条件下会形成良好的氧化膜，在实现导电功能的同时，满足了有关碳刷和摩擦盘的磨耗指标要求，最重要的因素还是碳刷和集电环的材质形成良好的磨耗性能。

图3-2氧化膜

4、接地盖

接地盖材料首选整体非金属的高分子材料作为整体基体。高分子材料以化学树脂为主要原料，采用复合材料的原料，添加有关增强机械强度和增加韧性的辅助材料，使材料的刚性和韧性得到提高。改型后的接地盖材料的机械拉伸模量在10000MPa以上，收缩变形率小于0.4%,能够保证足够的抗机械冲击能力，接地盖制作过程可参照摩擦盘制作工艺。

图3-3接地盖

5、恒力弹簧压力

恒力弹簧的压力对碳刷的磨耗有直接的关系。

恒力弹簧的作用是提供预压力给碳刷和集电环的接触面，设计范围是在20-30N之间，在其他条件不变的情况下，恒力弹簧的压力与碳刷的磨耗量呈线性的正比关系，压力越高，磨耗越大，碳刷和集电环的温度越高，每组恒力弹簧压力差别大容易导致碳刷磨耗不均现象。

图3-4 碳刷磨耗与弹簧压力关系

4  技术发展趋势

现有接地装置的结构设计与材料选取是针对先前发生的故障及时进行的经验总结，同时也是平衡技术指标与应用指标的关键，我们要在设计和制造过程中充分掌握材料性能参数，不断的优化产品工艺方案。

参考文献：

[1]耀银．高速动车组接地方式对接地回流分布的影响研究[D]．成都：西南交通大学，2017．

[2]刘兆金.李国栋.高速动车组轴端接地装置选型及磨损性能分析.山东工业技术．