模擬城鐵電動機車集電鞋耐磨性能試驗研究

模擬城鐵電動機車集電鞋耐磨性能試驗研究

城市軌鐵路和地下鐵道的驅動裝置通常分為兩種類型：電弓和電末。由于集電靴受電方式能夠較好地維持城市的自然景觀,所以世界上多數國家的城市輕軌鐵路和地下鐵路均采用了此種受電方式。我國城鐵、地鐵起步較晚,集電靴所用材料多是鋁黃銅鑄造合金,按照軌道交通部門的要求,一只集電靴應該服役5萬公里,而我國目前集電靴有時使用2萬公里就因材料磨透不得不進行更換,給軌道交通運營部門的城鐵維護保養(yǎng)增加了沉重的負擔。因此,研究更加可靠的集電靴材料,成為提高我國城鐵水平迫在眉睫的重要課題。1集電鞋性能試驗條件設計提高集電靴的使用壽命,關鍵是提高集電靴材料的耐磨性能。為了真實模擬城鐵實際運行工況下集電靴的磨損情況,掌握股役條件下集電靴銅合金耐磨性能數據,根據集電靴使用的特性,設計了適合于集電靴性能試驗的專用試驗裝置,研究高錳鋁青銅ZCuMn12Al8Fe3Ni2作為城鐵電動機車集電靴的可行性和優(yōu)越性。1.1化學成分的分析集電靴的試驗材料為綜合性能優(yōu)異的高錳鋁青銅ZCuMn12Al8Fe3Ni2,對比材料為現用的鋁黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn2,其化學成分和性能分別見表1、表2。1.2集電鞋在受流裝置的安裝采用正在運營城鐵的05Al鋼軌材料,經彎曲處理后做成模擬受電軌。模擬受電軌固定在鑄鐵圓盤上,試驗時圓盤轉動形成與固定受流器間的相對運動進行摩擦。為了保證集電靴與模擬受電軌之間的壓力與實際工況相符合,模擬機車采用了由永濟電機廠生產的受流器總成。設計中,將圓形模擬受電軌的中心周長設計成整數,這樣可以通過計量機車鑄鐵圓盤的轉速得到模擬機車的相對運動速度。通常地鐵正常運行速度為50km/h,最高設計時速為80km/h,進出站的平均速度約為30km/h,為此模擬機車設計了30、50和80km/h的3種速度。集電靴的耐磨性或壽命指標,可以通過計算單位磨損質量的走行距離得到。為了提高裝置的工作效率,模擬機車可以同時安裝4只集電靴進行單獨或對比試驗,并預留受流試驗裝置的空間。模擬機車的工作原理見圖1。1.3耐磨性對比試驗采用兩種鋼軌材料,一種是20號鑄鋼,另一種是現用的05Al鋼軌材料,采用與試驗材料對磨方式,將兩種試驗材料按下面3種情況在試驗裝置上進行了耐磨對比試驗。(1)固定正壓力和運行里程,改變運行速度;(2)固定運行速度和運行里程,改變正壓力;(3)在受磨的集電靴上鑲嵌石墨質固體潤滑劑。2試驗結果與討論2.1試驗材料的選擇在固定正壓力為200N,試驗里程為3000km的條件下,兩種試驗材料耐磨性能與運行速度之間的關系見圖2。由于該裝置所試驗的是正式的集電靴產品,故用單位失重行走的距離作為試驗材料的耐磨性能。圖2表明,在試驗的正壓力相同的情況下,無論哪種速度,高錳鋁青銅均比鋁黃銅要優(yōu)秀。眾所周知,鋁青銅鑄件比其它銅合金鑄件的力學性能要優(yōu)異得多,其耐磨性能當然也較為優(yōu)秀。試驗結果還表明,被試材料的耐磨性能對模擬機車“T軌”的線速度的改變不敏感,只是速度達到80km/h時,其耐磨性能才略有下降,主要是高速摩擦導致“T軌”溫升,摩擦條件惡化所致。2.2材料的耐磨性能將模擬機車的運行速度固定為80km,試驗里程3000km,改變正壓力,兩種材料的試驗結果見圖3。由圖可知,材料的耐磨性能對正壓力非常敏感,均隨著正壓力的增加而迅速下降。對于鋁青銅來說,無論是鋁量少的α單相合金,還是鋁量多的α+β兩相合金,在低壓力下磨耗量極少,當壓力增大后其磨耗量增大,并與壓力呈正比。2.3高錳鋁青銅質集電鞋的耐磨性能雖然磨速不同、軌材不同、正壓力不同,但得出的結果卻基本一致,即高錳鋁青銅質集電靴的耐磨性能均優(yōu)于鋁黃銅質集電靴的,進一步證明了高錳鋁青銅作為集電靴材料的優(yōu)越性。2.4石墨棒潤滑材料金屬材料在有潤滑狀態(tài)下,比無潤滑的干摩擦時的耐磨性要高得多,無論是鋁青銅還是鋁黃銅都不適于干摩擦。因此,采用了石墨棒鑲嵌在集電靴上,使其達到潤滑的目的。由于石墨是導體,又無毒、無味,對環(huán)境無污染,是理想的固體潤滑材料,潤滑效果見圖4。試驗結果表明,鑲嵌石墨棒的個數即潤滑點數以5～8點為佳,點數太少潤滑效果欠佳,點數太多則影響集電靴的強度,當鑲嵌6～8根直徑為3mm的石墨棒時,比沒鑲嵌時的耐磨性能提高了30%。3耐磨性能試驗研究(1)自行設計和制造的城鐵用集電靴耐磨試驗模擬機車,運行平穩(wěn),安全可靠,真實地模擬了城鐵的工作實況,為城鐵電動機車集電靴等耐磨材料的試驗研究提供了重要手段。(2)在本文試驗條件下,高錳鋁青銅ZCuMn12A