广州地铁一号线车辆轴箱接地装置故障分析

傅骏

（广州市地下铁道总公司运营事业总部车辆中心）

摘　要：广州市地铁一号线车辆已运用多年，随着运营里程的增加，车辆中带接地装 置轴箱的故障率明显上升，为此分析了 一号线车辆轴箱接地装置发生故障的原因，提 出了相应的解决办法和应对措施，减少损失。

关键词：地铁车辆；轴箱；接地装置；脆性断裂

广州市地下铁道总公司（以下简称广州地铁） 于1997年开通运营地铁一号线，截至目前该线车辆已使用14年，运用公里数累计超过150万km。随着使用时间的增加，车辆中带接地装置轴箱的故障率明显上升，主要表现为内部结构的机械断裂。对此种故障进行具体分析，有利于完善平时检修作业标准，提高车辆正线运营安全性。

一、接地装置结构

广州地铁一号线车辆在动车的所有轮对（4条）和拖车第2、3轮对轴箱上装配有接地装置，一列车总数为20个。接地装置整件由外端盖、铜安装支架 （带接地碳刷）、接地装置壳体（带安装支架固定座）、导电铜棒组成（见图1）。导电铜棒露出轴箱的一端紧固在柔性车体接地线（铜编织线）上，另一端固定在铜安装支架上，安装支架有一通孔带内螺纹，由固定螺栓将导电铜棒一端与安装支架紧固。安装支架另有螺栓与接地碳刷导线紧固，卡式恒压弹簧使接地碳刷始终紧贴铜滑圆盘（圆盘固定在轮对上）。受流时，电流通过导电铜棒流向安装支架，再由接地碳刷流入轮对。

二、故障分析

广州地铁一号线车辆自2006年起陆续出现接地装置整件故障，表现为整件内导电铜棒固定螺栓松动、掉落和安装支架固定座断裂。由于这两种故障均导致车辆受流回路部件被破坏，使得电流无法良好回流，当需要承载较大电流时存在一定的安全隐患。检査所有接地装置整件故障发现，此故障与车号无关，发生周期无规律性，但安装支架固定座断裂时必然同时有导电铜棒固定螺栓掉落现象，反之却不一定成立，说明固定座断裂可能是由导电铜棒固定螺栓掉落引发的二次故障，且发生几率较大。

1.导电铜棒固定螺栓掉落分析

导电铜棒为圆柱形铜棒料经过机加工所得，材质为T2紫铜。铜棒两端各有一段区域需要进行铣削加工，且在出的铣处的平面上开有通孔，如图2所示。

安装支架所带内螺纹长度仅约为5 mm，致使紧固螺栓产生的预紧力有限。导电铜棒若受到外力影响，沿铜棒传递过来的拉力作用在紧固螺栓上，容易使螺栓紧固失效。导电铜棒另一端连接着柔性车体接地线，经分析，外力可从接地线与导电铜棒连接处产生。

车辆运行过程中，虽然有一系人字弹簧的约束，但轴箱与构架仍存在相对运动，可大致解耦成轴向和垂向运动。柔性车体接地线有部分被电缆夹紧固在转向架上如图3所示，若电缆夹固定处与铜导线 连接处之间的车体接地线过短，在轴箱的轴向运动中，柔性车体接地线会随轴箱的内、外移而被拉伸，从而在铜导线连接的一端产生拉力，方向为沿瞬时车体接地线方向指向铜棒外侧。长期受到此拉力的作用，相当于在铜棒与安装支架紧固处施加交变载荷，将引起螺栓松动，从而使导电铜棒与安装支架连接处在车辆运动时受到的局部应力增大，后继可能出现两种故障现象:要么紧固螺栓脱离安装支架，掉落在接地装置内；要么在紧固螺栓脱离安装支架之前，此端铜棒通孔处材质断裂，螺栓依旧固定在安装支架上。

2.安装支架固定座断裂分析

铜安装支架固定座共有3个，按相隔120°圆周等分分布在接地装置壳体内侧，是与接地装置外壳体一起铸造出来的，其局部侧面示意图如图4所示。 固定座可看作为一个与外壳相连的悬臂梁，当螺栓掉落到接地装置内后，固定座有可能发生断裂，断裂的个数不定。统计所有的断裂固定座，发现断裂面的侧面基本都沿着图4中的虚线ED方向。

根据损伤力学理论，光滑区域为裂纹扩展区，粗糙部位为瞬时断裂区⑴。以图5所示实物为例，断裂面内不规则分布着两处较光滑小区域，目测面积总和约10% ,其余为粗糙面。有一处光滑区域在断裂面内呈岛状分布，未延伸至边缘，另一处光滑区与边缘轮廓重合。造成此裂纹的情况应是铸造缺陷，或是长时间运用后产生的裂纹核扩展成较短的裂纹。若此现象为断裂原因，则应该是同一批次轴箱内普遍现象，这与事实不符。

在发生断裂的接地装置内，固定座背面留有较严重的划伤，有的还有规则的齿状压痕，位置基本为CD段，深度大约2~3 mm,宽度不定，铜滑圆盘在此相应位置也有类似划痕。结合瞬时断裂区面积远大 于裂纹扩展区现象推断，固定座应是先受到损伤，再突然受到超过承载强度的外力导致断裂。由于所有车辆运行轨道条件、载荷条件及使用年限基本一致，即固定座承载条件基本一致，但断裂故障并非同时 批量出现，且断裂情况只发生在固定螺栓掉落后，因此可以排除正常运用情况下固定座断裂的可能性。

紧固螺栓为法兰面防松螺栓，材质为钢，表面镀黄铭，表面硬度在800 - 1000 HV。掉落的螺栓法兰面、螺纹有严重的磨损，但接地装置其他部件表面基本无损伤。

综上所述，分析掉落的螺栓导致固定座断裂的原因可能有以下2种⑵：

A.螺栓卡在固定座背面与铜滑圆盘的间隙之间,即 CD段下方。由于空间太小，在轮对转动过程中，铜滑圆盘挤压卡在间隙中的螺栓而对固定座产生外部应力，固定座无法承受此应力而断裂；

B.螺栓被固定在轴端旋转的铜滑圆盘不断撞击而再次撞上固定座，固定座先出现裂纹，在承受较大载荷时Z终断裂。

根据固定座安装位置，正面被撞击的可能性很小，只有侧面才有可能被撞击导致固定座断裂，但经现场检查，断裂固定座侧面无明显伤痕，侧面断裂轮廓线与掉落位置边缘基本吻合。根据之前分析，固定座须先受损伤，应在侧面留下明显撞击点，但检査所有固定座均没有明显撞击点。而且螺栓在轴箱体内极易撞上固定座侧面，若是由此导致断裂，则此故障必然频发，与发现的固定座断裂只是存在一定故 障率的事实不符。

所以只有一种可能，就是螺栓被夹在固定座背面时对其造成损伤Z后导致固定座断裂。DE段是固定座的主要受力部位，一旦划伤，相当于材料出现几何缺陷，根据材质的缺陷敏感性，这一部位极易在应力作用下发生疲劳、断裂。

三、应对措施

由于固定座是与接地装置外壳整体铸造而来的，空间位置狭小难以进行焊接工作，所以对此故障件一般报废整个接地装置，带来的成本损失较大。可以从这几方面进行改进，合理运用,降低此故障的发生率:

1.调整接地线与导电铜棒连接处长度，保证接地铜棒车辆在运行时不受外力影响；

2.改进接地铜棒备件。可人为制造材料缺陷，在接地铜棒与铜安装支架紧固螺栓附近制造出 一个V形槽，利用材料的缺陷敏感性，当铜棒受到外力时自身发生断裂，使得固定螺栓依旧固定在铜安装架上，不会掉落，从而避免固定座断裂的二次故障的发生；

3.增加开盖检査次数，及时发现故障。

四、总结

广州地铁一号线的接地装置问题可分为一次螺栓掉落故障和二次固定座断裂故障，其中二次故障的危害性较大。从各方面可以推断出固定座断裂原因是车辆运行时受掉落螺栓挤压应力所致，针对此 故障釆用了合理的改进方式降低其故障率。

参考文献：

［1］ 张安哥，朱成九，陈梦成.疲劳、断裂与损伤［M］.成都：西南交通 大学出版社,2006.

［2］ 王国安，孟显利，甘建琨.工程机械结构件失效分析研究及应用 ［J］.装备制造技术.2010（5） "37 - 139.

来源：《铁道机车车辆工人》