磁浮车辆液压夹钳单元绝缘方案研究

韩宇　杨东　尚小菲

摘 要：中低速磁浮列车以其绿色环保、安静舒适、爬坡能力强、转弯半径小、建造成本低的优势，在城市轨道交通的应用上体现出较强的环境适应性和较好的社会经济性。相比传统轮轨接触式列车利用轮对分散接地的方式，磁浮列车采用双端第三轨集中接地模式。实际上，磁浮车辆不仅需要从第三轨获取主电气设备的工作电流，还需要将车体感生电动势导入第三轨。此种特殊的接地设计，会使列车在牵引启动过程中闸片与 F 轨制动面之间产生火花，从而形成灼痕。为此，有必要针对磁浮列车液压夹钳单元绝缘方案进行深入研究，提出应对措施，优化设计，为磁浮车辆推广应用奠定基础。

关键词：磁浮车辆;液压夹钳单元;接地;绝缘方案;粉末冶金闸片

中图分类号：U237

磁浮车辆在正常悬浮运行工况下，除与受流轨有接触，车体本身与轨道是非接触的，这就对车辆接地系统提出了新的需求。车辆在正常运行、制动未施加状态时，粉末冶金闸片未与F轨接触形成摩擦制动力，此时车体接地通过双端第三轨集中回流接地。但当车辆处于制动工况时，粉末冶金闸片紧贴F轨，若液压夹钳单元未做绝缘处理，部分电流会经安装在液压夹钳单元燕尾滑槽中的粉末冶金闸片通过F轨导通接地;在制动缓解状态下，当粉末冶金闸片与F轨分开时，易发生拉弧，此时在粉末冶金闸片与F轨接触面上产生高温灼痕，高温会改变粉末冶金闸片表面状态，加大其磨耗量。因此，为防止轨道通过安装在液压夹钳单元燕尾滑槽中的粉末冶金闸片与车体之间形成导通回路，需对液压夹钳单元进行绝缘处理。

1 绝缘位置选择

（1）燕尾滑槽和钳体之间。根据热容量仿真计算，连续3次紧急制动，燕尾滑槽的最高温度约为190℃。在燕尾滑槽除滑槽面之外的表面，喷涂耐热温度为200℃以上的绝缘涂层，喷涂厚度 ≥1 mm，如图1所示。

（2）导向柱和钳体之间。在导向柱非螺纹部分表面喷涂耐热温度120 ℃以上的绝缘涂层，如图2所示。

（3）燕尾板和拉杆之间。在拉杆销孔位置增加抗压强度较高的玻璃纤维增强尼龙垫套，在燕尾板和拉杆之间增加耐磨性较好的尼龙垫片，拉杆表面（含拉杆销孔内壁）喷涂耐热温度为120℃以上的绝缘涂层，喷涂厚度≥1 mm，如图3所示。

（4）M8 螺钉和内钳体之间。只在两侧M8螺钉上喷涂耐热温度为200℃以上的绝缘涂层，喷涂厚度≥1mm，如图4蓝色部分所示。

2 绝缘风险分析及应对措施

2.1 电离击穿风险分析及应对措施

2.1.1 风险分析

燕尾滑槽和内钳体在螺纹连接处的空间过于紧凑，电气间隙不足，易导致零件间的空气发生电离击穿。

2.1.2 应对措施

在内钳体螺钉通孔中增加14mm台阶孔，以增大螺钉螺纹处与内钳体之间的电气间隙，并在M8螺钉头与内钳体间增加耐磨性较好的尼龙垫片，如图5所示。

2.2 燕尾滑槽和内钳体固定风险分析及应对措施

2.2.1 风险分析

燕尾滑槽和内钳体由“金属-金属”配合面变为“金属-涂层”配合面，如图6所示，摩擦系数下降，在反复制动过程中，二者会产生相对滑动，导致M8螺钉受剪，因此需要对螺钉进行受剪力校核。另一方面，螺钉预紧处喷漆表面出现脱落导致接触面间隙增大，螺钉预紧力会减小，因此需要对螺钉安全系数进行校核。

2.2.2 应对措施

在常规制动工况下，由螺钉预紧在燕尾滑槽和内钳体配合面产生的最大静摩擦力Ff远大于燕尾滑槽受到的最大纵向力Fs;在螺钉预紧力失效工况下，螺钉受到的剪切应力σp应小于其许用剪切强度τ。下面对这2种情况分别进行校核计算。

情况1：常规工况校核计算。螺钉预紧力F为：

式（1）中，M为预紧扭矩，M = 20N · m;D为螺纹公称直径，D = 8mm;K为预紧力系数，K = 0.2。

由式（1）可知，螺钉预紧力F = 12500N。从图6可知，燕尾滑槽的受力大小与螺钉预紧力相等，方向相反。则燕尾滑槽所受的静摩擦力Ff为：

式（2）中，μ为燕尾滑槽与内钳体接触面间摩擦系数，μ = 0.08;N为预紧螺钉数量，N = 4。

制动过程中燕尾滑槽受到的纵向力Fs为：

式（3）中，Fm为液压夹钳单元夹紧力，由计算报告可知Fm = 10 000 N;η为闸片与燕尾滑槽间摩擦系数，η = 0.2。

由式（2）及式（3）计算结果可知，安全系数S1为：

安全系数S1≥1，即合格。由此可知，燕尾滑槽与内钳体间的固定结构设计满足常规工况下的制动要求。

情况2：失效工况校核计算。由常规工况下校核安全系数S1 = 2可知，在2个螺钉预紧失效工况下，燕尾滑槽才会与内钳体发生错位使螺钉受剪切力，在此工况下，对紧固螺钉所受剪切力进行校核。由于轴孔配合间隙较大，可能出现单个螺钉受剪的风险，因此需对单个螺钉受剪进行校核。

单个螺钉受到的剪切应力σp为：

式（5）中，A为应力截面积，查询《机械设计手册》选取A = 36.6 mm2。

安全系数S2为：

式（6）中，τ经查询《机械设计手册》选取240MPa。

安全系数S2≥1，即合格。由式（4）可知，燕尾滑槽与内钳体间固定结构设计满足2个螺钉预紧失效工况下的制动要求。

2.3 尼龙垫套强度风险分析及应对措施

2.3.1 风险分析

尼龙垫套安装在拉杆与橡胶节点固定销轴之间，位置如图7所示。在制动过程中，其直接承载由燕尾板传来的制动力，如强度不足，则存在脆裂危险。

2.3.2 应对措施

对尼龙垫套强度进行分析，拉杆在夹钳单元经过F轨接缝处所受最大冲击力为6.03kN，以此作為输入，对尼龙垫套进行静强度仿真计算。基于HyperMesh仿真软件，尼龙垫套采用二阶四面体单元进行模拟，仿真结果如图8所示。经仿真计算，尼龙垫套受到的最大应力为92.6MPa，小于尼龙垫套材质PA610的屈服强度139MPa，所以能够满足使用要求，不存在碎裂风险。

3 绝缘耐压试验

3.1 试验部件

绝缘耐压试验部件包括外钳体组成、内钳体组成和拉杆组成。

3.2 试验电压

3.2.1 绝缘电阻试验电压

分别对组成液压夹钳单元的3种主要部件施加DC1000V电压进行绝缘电阻试验。

3.2.2 介电试验电压

从AC 500V开始，逐渐递增电压，进行介电试验，直至发生击穿、闪络或漏电流>20mA。

3.3 试验规范

3.3.1 测试位置

（1）外钳体组成。测量电压施加在外钳体外表面与燕尾滑槽金属面（地）之间。

（2）内钳体组成。测量电压施加在内钳体外表面与燕尾滑槽金属面（地）之间。

（3）拉杆组成。测量电压施加在拉杆（橡胶节点端）与拉杆（关节轴承端）（地）之间。

3.3.2 测试时间

（1）试验电压在0.5s内达到试验值，并保持5s，使用1 000  V兆欧表进行测试。

（2）介电强度试验时，试验电压在10s内达到试验值，并保持60s。

3.3.3 试验过程

对每种部件进行绝缘电阻试验和介电强度试验，通过后，提高电压，再次进行绝缘电阻试验和介电强度试验，直至耐压达到AC 2 500 V或发生击穿闪络。

3.4 判定方法

（1）绝缘电阻试验。绝缘电阻>5MΩ，认为试验通过。

（2）介电强度试验。试验过程中不产生击穿或闪络，漏电流<20 mA，认为试验通过。

3.5 试验结果及分析

采用上述试验方法分别对组成液压夹钳单元的3种主要部件进行绝缘耐压性能试验、绝缘电阻试验和介电强度试验，试验结果如表1所示。结果表明，绝缘设计方案能够使液压夹钳单元获得一定电压等级的绝缘耐压性能，经过测量，采用绝缘设计的液压夹钳单元能够通过AC 2 000 V的介电强度试验，并在DC 1 000 V电压下测得绝缘电阻能够满足目前磁浮车辆液压夹钳单元绝缘性能要求。

4 结束语

鉴于当前开展中低速磁悬浮列车技术研究及应用的国家和地区较少，关于磁浮车辆液压夹钳单元绝缘耐压方案鲜有报道，本文初步提出可行性研究方案，结合车辆实际运用，还需要在以下3个方面对液压夹钳单元绝缘耐压方案进行更加深入的研究及总结：

（1）现车测量液压夹钳单元在制动、缓解、牵引、悬浮等各种工况下的电压值及电流值，分析车辆在不同状态下液压夹钳单元所在回路的电压和电流特性;

（2）现车上对液压夹钳单元和F轨之间进行绝缘耐压测试;

（3）在实际运营过程中，对非绝缘液压夹钳单元与绝缘液压夹钳单元进行对比分析，定期检测安装在绝缘液压夹钳单元和非绝缘液压夹钳单元上的粉末冶金闸片磨耗量，对比分析接地电流对粉末冶金闸片磨耗量的影响。

参考文献

[1]王慧，黄浩恩，许学礼，等. 可控双层磁悬浮小车的设计[J].无线互联科技，2018 ，15（20）：65-69.

[2]李经纬，龙建兵. 中低速磁浮列车运用检修关键工艺设备研究[J].现代城市轨道交通，2016（4）：27-31.

[3]吴萌岭，周嘉俊，田春，等.轨道交通制动系统创新技术[J].现代城市轨道交通，2019（7）：30-35.

[4]司丽，杜慧杰，杨永勤，等. 中低速磁浮列车制动特性研究[J].城市轨道交通研究，2019，22（3）：83-84，161.

[5]刘绍勇，李天宝. 日本常导磁悬浮列车[J].现代城市轨道交通，2006（2）：57-61.

[6] 蒋廉华，唐亮，曾春军，等. 中低速磁浮列车制动系统设计与研究[J].电力机车与城轨车辆，2017，40（3）：18-22.

[7]裴玉春. 使用面向对象方法的中低速磁浮车摩擦制动系统的性能仿真[J].铁道机车车辆，2017，37（3）：17-24.

[8]杜晓峰. 第2代中低速磁悬浮车辆介绍[J].山东工业技术，2017 （11） ：222.

[9]宫崎聡夫，张芳. 磁悬浮列车的液压制动装置[J].国外机车车辆工艺，2017（4）：20-23.

[10] 沈铭乾，艾正武. 磁浮列车制动拉杆优化对制动性能的影响分析[J].技术与市场，2017，24（5）：9-10，12.

[11] 杨新斌. 中低速磁浮技术在城市轨道交通中的应用[J].铁道车辆，2015，53（4）：30-32.

[12] 彭奇彪. 中低速磁悬浮交通系统技术及工程应用[J].机车电传动，2014（3）：6-9，43.

[13] 张强，陈德旺，于振宇. 城市轨道交通ATO系统性能指标评价[J].都市快轨交通，2011，24（4）：26-29.

[14] 何岚，刘放，周益，等. 长定子中低速磁浮轨道动态特性分析[J].铁道建筑，2013（2）：103-105.

[15] 李晓龙，刘锡良，史黎明. 磁浮列车测速定位中的信息融合研究[J].电子科技大学学报，2013（1）：87-91.

[16] 徐俊起，佟来生，荣立军，等. 磁浮列车悬浮控制系统工程化应用中的关键技术[J].城市轨道交通研究，2018，21（12）：14-17.

[17] 趙建飞. 基于减速度控制的新一代地铁车辆制动控制技术[J].现代城市轨道交通，2019（11）：39-46.

[18] 韩红文，朱君华. 四点紧凑型制动夹钳单元防偏磨机构的设计研究[J].轨道交通装备与技术，2019（6）：4-6.

收稿日期 2019-10-09

责任编辑 党选丽

Research on insulation scheme of hydraulic clamp unit of maglev vehicle

Han Yu， Yang Dong， Shang Xiaofei

Abstract： The medium and low speed maglev train， with its advantages of environmental protection， quiet and comfortable， strong climbing ability， small radius negotiating and low construction cost， has strong environmental adaptability and better social cost effectiveness in the application of urban rail transit. Compared with the traditional wheel rail contact train， the maglev train adopts the mode of double ended third rail centralized grounding. In fact， the maglev vehicle not only needs to obtain the working current of the main electrical equipment from the third rail， but also needs to import the induced electromotive force of the vehicle body into the third rail. This special grounding design causes sparks between the brake pad and the F-rail braking surface during the traction start-up of the train， thus forming burn marks. Therefore， it is necessary to conduct in-depth research on the insulation scheme of the hydraulic clamp unit of the maglev train， and it puts forward countermeasures， optimizes the design， and lays the foundation for the promotion and application of the maglev vehicle.

Keywords： maglev vehicle， hydraulic clamp unit， grounding， insulation solution， powder metallurgy PM brake disc

作者簡介：韩宇（1985—），男，高级工程师