廣州地鐵一號(hào)線車輛軸箱接地裝置故障分析

傅駿

（廣州市地下鐵道總公司運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部車輛中心）

摘　要：廣州市地鐵一號(hào)線車輛已運(yùn)用多年，隨著運(yùn)營(yíng)里程的增加，車輛中帶接地裝 置軸箱的故障率明顯上升，為此分析了 一號(hào)線車輛軸箱接地裝置發(fā)生故障的原因，提 出了相應(yīng)的解決辦法和應(yīng)對(duì)措施，減少損失。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；軸箱；接地裝置；脆性斷裂

廣州市地下鐵道總公司（以下簡(jiǎn)稱廣州地鐵） 于1997年開通運(yùn)營(yíng)地鐵一號(hào)線，截至目前該線車輛已使用14年，運(yùn)用公里數(shù)累計(jì)超過150萬km。隨著使用時(shí)間的增加，車輛中帶接地裝置軸箱的故障率明顯上升，主要表現(xiàn)為內(nèi)部結(jié)構(gòu)的機(jī)械斷裂。對(duì)此種故障進(jìn)行具體分析，有利于完善平時(shí)檢修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提高車輛正線運(yùn)營(yíng)安全性。

一、接地裝置結(jié)構(gòu)

廣州地鐵一號(hào)線車輛在動(dòng)車的所有輪對(duì)（4條）和拖車第2、3輪對(duì)軸箱上裝配有接地裝置，一列車總數(shù)為20個(gè)。接地裝置整件由外端蓋、銅安裝支架 （帶接地碳刷）、接地裝置殼體（帶安裝支架固定座）、導(dǎo)電銅棒組成（見圖1）。導(dǎo)電銅棒露出軸箱的一端緊固在柔性車體接地線（銅編織線）上，另一端固定在銅安裝支架上，安裝支架有一通孔帶內(nèi)螺紋，由固定螺栓將導(dǎo)電銅棒一端與安裝支架緊固。安裝支架另有螺栓與接地碳刷導(dǎo)線緊固，卡式恒壓彈簧使接地碳刷始終緊貼銅滑圓盤（圓盤固定在輪對(duì)上）。受流時(shí)，電流通過導(dǎo)電銅棒流向安裝支架，再由接地碳刷流入輪對(duì)。

二、故障分析

廣州地鐵一號(hào)線車輛自2006年起陸續(xù)出現(xiàn)接地裝置整件故障，表現(xiàn)為整件內(nèi)導(dǎo)電銅棒固定螺栓松動(dòng)、掉落和安裝支架固定座斷裂。由于這兩種故障均導(dǎo)致車輛受流回路部件被破壞，使得電流無法良好回流，當(dāng)需要承載較大電流時(shí)存在一定的安全隱患。檢査所有接地裝置整件故障發(fā)現(xiàn)，此故障與車號(hào)無關(guān)，發(fā)生周期無規(guī)律性，但安裝支架固定座斷裂時(shí)必然同時(shí)有導(dǎo)電銅棒固定螺栓掉落現(xiàn)象，反之卻不一定成立，說明固定座斷裂可能是由導(dǎo)電銅棒固定螺栓掉落引發(fā)的二次故障，且發(fā)生幾率較大。

1.導(dǎo)電銅棒固定螺栓掉落分析

導(dǎo)電銅棒為圓柱形銅棒料經(jīng)過機(jī)加工所得，材質(zhì)為T2紫銅。銅棒兩端各有一段區(qū)域需要進(jìn)行銑削加工，且在出的銑處的平面上開有通孔，如圖2所示。

安裝支架所帶內(nèi)螺紋長(zhǎng)度僅約為5 mm，致使緊固螺栓產(chǎn)生的預(yù)緊力有限。導(dǎo)電銅棒若受到外力影響，沿銅棒傳遞過來的拉力作用在緊固螺栓上，容易使螺栓緊固失效。導(dǎo)電銅棒另一端連接著柔性車體接地線，經(jīng)分析，外力可從接地線與導(dǎo)電銅棒連接處產(chǎn)生。

車輛運(yùn)行過程中，雖然有一系人字彈簧的約束，但軸箱與構(gòu)架仍存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可大致解耦成軸向和垂向運(yùn)動(dòng)。柔性車體接地線有部分被電纜夾緊固在轉(zhuǎn)向架上如圖3所示，若電纜夾固定處與銅導(dǎo)線 連接處之間的車體接地線過短，在軸箱的軸向運(yùn)動(dòng)中，柔性車體接地線會(huì)隨軸箱的內(nèi)、外移而被拉伸，從而在銅導(dǎo)線連接的一端產(chǎn)生拉力，方向?yàn)檠厮矔r(shí)車體接地線方向指向銅棒外側(cè)。長(zhǎng)期受到此拉力的作用，相當(dāng)于在銅棒與安裝支架緊固處施加交變載荷，將引起螺栓松動(dòng)，從而使導(dǎo)電銅棒與安裝支架連接處在車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的局部應(yīng)力增大，后繼可能出現(xiàn)兩種故障現(xiàn)象:要么緊固螺栓脫離安裝支架，掉落在接地裝置內(nèi)；要么在緊固螺栓脫離安裝支架之前，此端銅棒通孔處材質(zhì)斷裂，螺栓依舊固定在安裝支架上。

2.安裝支架固定座斷裂分析

銅安裝支架固定座共有3個(gè)，按相隔120°圓周等分分布在接地裝置殼體內(nèi)側(cè)，是與接地裝置外殼體一起鑄造出來的，其局部側(cè)面示意圖如圖4所示。 固定座可看作為一個(gè)與外殼相連的懸臂梁，當(dāng)螺栓掉落到接地裝置內(nèi)后，固定座有可能發(fā)生斷裂，斷裂的個(gè)數(shù)不定。統(tǒng)計(jì)所有的斷裂固定座，發(fā)現(xiàn)斷裂面的側(cè)面基本都沿著圖4中的虛線ED方向。

根據(jù)損傷力學(xué)理論，光滑區(qū)域?yàn)榱鸭y擴(kuò)展區(qū)，粗糙部位為瞬時(shí)斷裂區(qū)⑴。以圖5所示實(shí)物為例，斷裂面內(nèi)不規(guī)則分布著兩處較光滑小區(qū)域，目測(cè)面積總和約10% ,其余為粗糙面。有一處光滑區(qū)域在斷裂面內(nèi)呈島狀分布，未延伸至邊緣，另一處光滑區(qū)與邊緣輪廓重合。造成此裂紋的情況應(yīng)是鑄造缺陷，或是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)用后產(chǎn)生的裂紋核擴(kuò)展成較短的裂紋。若此現(xiàn)象為斷裂原因，則應(yīng)該是同一批次軸箱內(nèi)普遍現(xiàn)象，這與事實(shí)不符。

在發(fā)生斷裂的接地裝置內(nèi)，固定座背面留有較嚴(yán)重的劃傷，有的還有規(guī)則的齒狀壓痕，位置基本為CD段，深度大約2~3 mm,寬度不定，銅滑圓盤在此相應(yīng)位置也有類似劃痕。結(jié)合瞬時(shí)斷裂區(qū)面積遠(yuǎn)大 于裂紋擴(kuò)展區(qū)現(xiàn)象推斷，固定座應(yīng)是先受到損傷，再突然受到超過承載強(qiáng)度的外力導(dǎo)致斷裂。由于所有車輛運(yùn)行軌道條件、載荷條件及使用年限基本一致，即固定座承載條件基本一致，但斷裂故障并非同時(shí) 批量出現(xiàn)，且斷裂情況只發(fā)生在固定螺栓掉落后，因此可以排除正常運(yùn)用情況下固定座斷裂的可能性。

緊固螺栓為法蘭面防松螺栓，材質(zhì)為鋼，表面鍍黃銘，表面硬度在800 - 1000 HV。掉落的螺栓法蘭面、螺紋有嚴(yán)重的磨損，但接地裝置其他部件表面基本無損傷。

綜上所述，分析掉落的螺栓導(dǎo)致固定座斷裂的原因可能有以下2種⑵：

A.螺栓卡在固定座背面與銅滑圓盤的間隙之間,即 CD段下方。由于空間太小，在輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，銅滑圓盤擠壓卡在間隙中的螺栓而對(duì)固定座產(chǎn)生外部應(yīng)力，固定座無法承受此應(yīng)力而斷裂；

B.螺栓被固定在軸端旋轉(zhuǎn)的銅滑圓盤不斷撞擊而再次撞上固定座，固定座先出現(xiàn)裂紋，在承受較大載荷時(shí)Z終斷裂。

根據(jù)固定座安裝位置，正面被撞擊的可能性很小，只有側(cè)面才有可能被撞擊導(dǎo)致固定座斷裂，但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，斷裂固定座側(cè)面無明顯傷痕，側(cè)面斷裂輪廓線與掉落位置邊緣基本吻合。根據(jù)之前分析，固定座須先受損傷，應(yīng)在側(cè)面留下明顯撞擊點(diǎn)，但檢査所有固定座均沒有明顯撞擊點(diǎn)。而且螺栓在軸箱體內(nèi)極易撞上固定座側(cè)面，若是由此導(dǎo)致斷裂，則此故障必然頻發(fā)，與發(fā)現(xiàn)的固定座斷裂只是存在一定故 障率的事實(shí)不符。

所以只有一種可能，就是螺栓被夾在固定座背面時(shí)對(duì)其造成損傷Z后導(dǎo)致固定座斷裂。DE段是固定座的主要受力部位，一旦劃傷，相當(dāng)于材料出現(xiàn)幾何缺陷，根據(jù)材質(zhì)的缺陷敏感性，這一部位極易在應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞、斷裂。

三、應(yīng)對(duì)措施

由于固定座是與接地裝置外殼整體鑄造而來的，空間位置狹小難以進(jìn)行焊接工作，所以對(duì)此故障件一般報(bào)廢整個(gè)接地裝置，帶來的成本損失較大?？梢詮倪@幾方面進(jìn)行改進(jìn)，合理運(yùn)用,降低此故障的發(fā)生率:

1.調(diào)整接地線與導(dǎo)電銅棒連接處長(zhǎng)度，保證接地銅棒車輛在運(yùn)行時(shí)不受外力影響；

2.改進(jìn)接地銅棒備件?？扇藶橹圃觳牧先毕?，在接地銅棒與銅安裝支架緊固螺栓附近制造出 一個(gè)V形槽，利用材料的缺陷敏感性，當(dāng)銅棒受到外力時(shí)自身發(fā)生斷裂，使得固定螺栓依舊固定在銅安裝架上，不會(huì)掉落，從而避免固定座斷裂的二次故障的發(fā)生；

3.增加開蓋檢査次數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

四、總結(jié)

廣州地鐵一號(hào)線的接地裝置問題可分為一次螺栓掉落故障和二次固定座斷裂故障，其中二次故障的危害性較大。從各方面可以推斷出固定座斷裂原因是車輛運(yùn)行時(shí)受掉落螺栓擠壓應(yīng)力所致，針對(duì)此 故障釆用了合理的改進(jìn)方式降低其故障率。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 張安哥，朱成九，陳夢(mèng)成.疲勞、斷裂與損傷［M］.成都：西南交通 大學(xué)出版社,2006.

［2］ 王國(guó)安，孟顯利，甘建琨.工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件失效分析研究及應(yīng)用 ［J］.裝備制造技術(shù).2010（5） "37 - 139.

來源：《鐵道機(jī)車車輛工人》