高速动车组接地回流装置用电刷的制备

佟立国

（哈尔滨电碳厂，哈尔滨 150025）

1 前言

随着我国经济迅猛发展，我国铁路建设也步入了“高速时代”。五次大提速带来的经济和社会效益更加证明了高速铁路在我国的强大的生命力和广阔的发展空间。在高速铁路跨越式发展的同时，各系统的安全性、可靠性已然成为至关重要的一环，这也是我国发展高速铁路的基石。接地装置作为高速动车组九大关键技术最为核心的技术之一，为车辆提供了良好的稳定性和运行安全性。纵观高速铁路投入运用的10年，在引进、消化、吸收国外先进技术的过程中，不断的遇到问题、分析问题、解决问题。高速动车组旋转部件，由于其高速旋转的特殊性，同时又是直接与轨道接触的部件，发生故障故障的可能性较大，问题发生后非常难以解决。在交流电气化铁路接触网中，列车通过受电弓碳滑板获得电力，通过牵引电机产生驱动力。牵引电流经车轮、轨道和大地回到变电所。为了防止转向架轴箱和齿轮箱轴承通过电流而产生电蚀，在转向架的轴端安装了接地装置，从而使所有电流通过该接地装置流向车轮，最后流向钢轨和大地。电刷是整车接地系统的一个重要环节，同时安装在高速旋转的轴端，自身在运用中又通过较大的电流，涉及了机械工程、电学、材料学、摩擦学等数门学科，能够正常可靠的工作对列车的安全运用尤为重要[1]，目前所选用的电刷多数为德国及日本产的电刷，其实际运行寿命可达90W公里以上，国产电刷仅能达到60W公里，为此我们研发了寿命可达到100W公里以上的接地电刷，使国产电刷使用寿命超过了国外电刷，占领了市场。

2 试验

2.1 接地电刷的作用

接地电刷基本上作为从车辆的固定端与旋转部件之间电流转换的低电阻电桥。因此，接地电刷主要的功能有以下几点：

(1)有效电流的转移；

(2)信号电流的转移；

(3)车辆的接地保护

2.1.1 有效电流的转移

从悬挂线或第三轨得到电压，传输到机车，牵引和移动车辆的有效电流。电路通过软轴和车轮到铁路轨道上，再导入大地形成回路。从车辆的固定部件到转动轴电流通过称为“接地点”的特殊电桥发生转移。 滚子轴承将安装在活动或者附加的电流回路上。因此当电流通过时，接地电刷必须形成一低电阻电流的电桥保护滚子轴承和获得一个有效的接地。 以1伏电压的电流通过轴承。电流的迅速增大可导致连贯性电压降低大概 0.5 伏。

信号电流的转移 与有效电流相反，各种信号系统有非常低的电流。在任何可能的情况下，这些电流的转移必须是绝对安全的。对于这类电流转移，电刷和相对运动面组合的材料是非常重要的，因为在可能导致非常低的电流负载的工作条件下，接地电刷必须形成一个联系性低电阻电桥。

车辆的接地保护

所有的导电部件都必须与大地连接，因此软轴和车轮通过接地装置连接大地。通常情况下零部件和大地不存在电压差，因此不存在电流感应。接地提供对接触电压和与之有关危险的保护。

接地电刷的功能是对所有正常工作车辆提供一个安全的电流连接形成可以定义的电流回路[2]。

2.2 原材料

试验用石墨粉购自青岛晟泰有限责任公司，粒度为10～40μm，纯度大于95%，经过2800℃高温精炼提纯而成，粘结剂采用酚醛树脂，购自蚌阜树脂公司。所选用铜粉为福田公司生产的轻体铜粉，即铜粉的松装密度在1.0g/cm3以下。本发明通过采用松装密度在1.0g/cm3以下的铜粉可以使得制备的接地电刷在烧结的时候更容易形成金属网格，使电刷电阻率降低，稳定性好。辅材为锡粉，主要作用是与铜粉形成合金相，提高电刷的硬度、强度，耐磨性。本发明通过采用锡粉和铜粉形成合金锡青铜，获得了提高电刷硬度、强度、耐磨性的效果，碳酸锌，主要作用是在高温中在碳的还原作用下形成圆形的纳米级颗粒，嵌入到铜粉的树枝状结构中，形成更加耐磨的合金相结构。

2.3 试样的制备

石墨粉粒度很细，在混合过程中加入酚醛树脂后造粒使其粒度由10～40μm变为160～270μm。将调好的树脂与酒精按比例加入石墨粉中，在双桨式混合锅中混均，混一段时间后加热至50～60℃，加热恒温约30min后用造粒机造粒，在烘干箱内恒温60℃烘干4小时，制得一阶段料。一阶段料与铜粉及锡粉、碳酸锌、二硫化钼粉以一定比例配合混均而成，混合时间约30min，具体的制备工艺如图1所示。

图1 接地电刷制备工艺流程示意图Fig.1 Schematic diagram of preparation process of grounding brush

2.4 试验样的热失重分析

图2 热失重分析表Fig.2Thermogravimetic analysis

数据表明试验样在 1000°C in% (m/m) 热失重在2.04，说明材料在加热过程中热失重较小，热处理比较完全，达到了理想化的热处理状态。

2.5 性能测试与表征

采用弘达抗压试验机测试材料的弯曲强度，在以15mm/min的速度进行弯曲试验。测试结果取五次测量结果取平均值。硬度值的测量采用洛氏硬度计，由于同一平面上硬度值离散较大，在同一平面上测十个点取平均值。电刷的电阻率采用四端接法原理测得，测试结果取十次测量结果的平均值。

3 结果与讨论

3.1 试验样与进口电刷性能数据对比

分析进口接地电刷性能数据发现，试验样在关键数据上远远优于进口电刷，数据对比如表1所示：

表1 试验样与进口电刷试验数据对比Table 1 Comparison of test data between test sample and imported brush

3.2 国产电刷金相结构分析

图3 试验样金相结构图Fig.3 Metallographic structure of test sample

由电刷的金相图可以看出试验样结构致密，颗粒分布均匀，保证了电刷基体材料的性能均一稳定，电刷导流能力均匀，提高电机运转的稳定性。

3.3 试验样与进口电刷磨损值试验数据对比

表2 试验样与进口电刷试验数据对比（动态）Table 2 Comparison of test data between test sample and imported brush (dynamic)

试验数据表明，试验样的各项指标均优于进口电刷，试验室内推算寿命可达118.22万公里，完全满足了客户需求。

4 结论

①试验样的静态性能各项指标均优于进口电刷，电刷的电阻率最低，能承受更大的电流。

②在试验中，试验样材质均匀一致，提高了接地电刷的稳定性，可靠性。

③在台架试验中，试验样的磨损值低于进口电刷，提高了接地电刷的使用寿命，满足了客户的使用要求。