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摘要：直线电机车辆安全鼻的作用是防止直线电机悬挂系统失效后电机过度沉降。当悬挂系统失效严重导致电机下沉时，安全鼻作为最后一层防护与车轴相磨，若安全鼻底座和车轴出现较大磨损，将造成电机高度进一步下降，与感应板发生剐蹭甚至是相抗等严重情况，具有极大的运营风险。本文针对广州地铁直线电机车辆提出采用新型碳纤维复合材料制作安全鼻底座以提高其耐磨性能，并通过实验室试验及模拟故障工况进行新型耐磨安全鼻的性能验证。
关键词：地铁车辆；直线电机；安全鼻底座；耐磨性能
1.项目概况
广州地铁4、5、6号线均配置直线电机车辆，每一转向架均装有一个直线感应电机，通过2个横向悬挂梁及安装其上的5个垂向连接杆悬挂。悬挂梁弹性安装在4个轮对内置轴箱上使得电机的高度避免一系悬挂偏移产生的不良影响，保证了电机和感应板之间9~10mm的规定间隙。
当悬挂系统失效严重导致电机下沉时，需要通过安装在直线电机两端的三个安全鼻搭在车轴上避免直线电机发生进一步沉降，安全鼻底座材料为A3钢，与车轴的间隙日常检修要求为5±0.5mm。
图1 安全鼻结构
2.安全鼻底座改造意义
广州地铁直线电机车辆至今已发生多起悬挂系统失效导致的电机异常下沉故障。伴随安全鼻底座的异常磨损，直接造成直线电机下表面与感应板刮蹭，失去原设计安全鼻的意义。
为提高直线电机安全鼻底座与车轴的耐磨性能，需要将安全鼻底座换型为耐磨材料，保证电机沉降后高度基本恒定，可安全完成单线全程运行直至走行回库的要求。
3.耐磨安全鼻底座性能实验
耐磨安全鼻底座利用新型碳纤维复合材料，在减小其磨损量的同时，减小接触面的硬度、降低摩擦系数、增加自润滑保护相磨的车轴不被过度磨损。
3.1 结构设计
新型的安全鼻底座按照原有设计图纸上增加粘结层及摩擦层，见图2。金属背板由A3钢整体机加工而成，并通过在金属背板上加工燕尾槽，使得耐磨层与金属背板相结合。
图2 耐磨安全鼻底座设计
3.2摩擦学性能
根据《GB03960-1983 塑料滑动摩擦磨损试验方法》对标准的矩形耐磨材料样品进行摩擦试验，对样品的摩擦系数、磨痕宽度、对磨体磨损直径及摩擦温度（平衡时温度）进行检验。根据实验结果（表1），该耐磨材料具有摩擦系数稳定、长时间摩擦下磨损较低、对磨体磨损损伤极轻微及耐高温性能较好等特征。
4.故障工况模拟试验
为达到故障模拟效果，通过拆除一根直线电机垂向连接杆模拟电机沉降工况，此时安全鼻底座直接搭接在车轴，在车辆运行过程中直接与车轴持续相磨。
4.1 模拟故障工况条件及要求
目前广州地铁4、5、6号线均为直线电机车辆线路，在日常运营过程中主要依靠各区间安装的“直线电机气隙在线监测系统”实时检测在线运行列车直线电机与感应板的距离，在发生电机沉降后，该监测系统进行实时报警，根据报警信息可安排列车退出服务、限速及就近驶入存车线等行车组织确保运营安全，即主要安全风险点在于监测系统未发现电机沉降前需要保证列车的安全行驶。
同时按照直线电机和感应板之间9~10mm的规定间隙及安全鼻底座与车轴5±0.5mm要求，得出安全鼻底座耐磨性能需要达到的性能要求为：与车轴持续相磨距离足够长，同时安全鼻底座及车轴磨损深度总和小于3.5mm。
4.2 试验执行过程
选取五号线列车一条轮对作为试验车轴，试验车轴上安装新型耐磨材料做成的安全鼻底座，耐磨材料的厚度为5mm。同时在对应的一根垂向吊杆在试验前被拆除，模拟正线吊杆断裂故障。到达试车线后，试验人员将试验车轴对应的电机一端完全依靠安全鼻搭接在车轴上受力支撑。然后进行动车，列车里程表记录试验过程中列车共走行约27公里。
4.3 试验结果
试验完成回库后，对试验车轴及安全鼻底座拆除进行测量。
4.3.1 安全鼻底座磨损情况
使用游标卡尺测量试验耐磨安全鼻底座最大磨损深度为1.32mm，占耐磨材料可磨损厚度（5mm）26.4%（图3）。
图3 安全鼻底座磨损情况
4.3.2 车轴轴身磨损情况
试验轮对拆下后，使用外径千分尺对刮蹭处车轴直径进行测量。根据测量结果，车轴轴身在此次测试过程中无明显磨损情况。一方面是由于车轴材质为高强度的A4T钢，而安全鼻耐磨材料的硬度较车轴小得多，同时耐磨材料和车轴相互摩擦接触时在车轴表面形成一层保护膜，因此对车轴本身尺寸几乎无影响。
根据试验结果，在安全鼻底座与车轴相磨运行约27km后，车轴几乎无磨损，安全鼻耐磨材料对车轴润滑和减磨的效果良好得到验证；同时耐磨安全鼻底座本身磨损最大仅1.32mm，远超于小于3.5mm的要求，其优异的耐磨性能得到了验证。
5.结语
直线电机车辆安全鼻底座作为避免电机过渡沉降的最后一层保障，采用耐磨材料替代原A3钢材料具有重要的现实意义。通过摩擦性能实验验证了该耐磨材料摩擦性能较好，且在故障工况模拟试验中得到了可靠性验证。
参考文献：
[1].国产新型直线电机地铁车辆转向架[J].张雄飞，李言义. 铁路技术创新.2014（04）
[2].中华人民共和国国家标准局.GB 3960—83塑料滑动摩擦磨损试验方法[S].北京：中国标准出版社，1984
论文作者:庄厚腾
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/23
标签：车轴论文; 底座论文; 电机论文; 磨损论文; 直线论文; 耐磨论文; 摩擦论文; 《基层建设》2018年第15期论文;