楊 晶 馬曉龍 王洪權(quán) 李永生 劉洪濤

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司國(guó)家軌道客車工程研究中心， 130062， 長(zhǎng)春∥第一作者， 高級(jí)工程師)

地鐵車輛軸箱接地裝置可以保證乘客以及車載電氣設(shè)備避免受到意外電擊傷害，為功能電路提供接地回流路徑，同時(shí)還可以有效實(shí)現(xiàn)電磁防護(hù)作用，是轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件之一[1-2]。而接地裝置位于轉(zhuǎn)向架軸箱，其在車輛運(yùn)行過程中除了受到接地回流影響外，由于剛性連接在軸端，還承載了來自輪軌的直接動(dòng)態(tài)沖擊載荷；再加上接地裝置的服役環(huán)境相對(duì)復(fù)雜惡劣，一定程度上影響了它的使用壽命。

本文以某地鐵車輛軸箱接地端子開裂為例，通過接地端子壓接質(zhì)量、電纜裝配、理化分析等明確影響端子開裂的主要因素，開展了基于車輛振動(dòng)傳遞路徑的軸箱加速度，以及電纜支架和接地端子的應(yīng)力測(cè)試，分析了道床-軸箱-支架-接地端子振動(dòng)傳遞路徑特征，給出接地端子異常開裂的原因，為該問題的解決提供思路和方法，并為日后的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 地鐵車輛軸箱接地端子開裂現(xiàn)象

某地鐵列車為“2動(dòng)+2拖”4節(jié)編組，最高運(yùn)行速度為80 km/h。該地鐵列車自運(yùn)營(yíng)以來累計(jì)發(fā)生軸箱接地端子開裂問題40余起。軸端接地端子材質(zhì)為T2銅，其接地電纜末端壓接端子通過螺栓固定在軸端接地裝置(見圖1 a))上；接地電纜另一端通過線夾板固定在電纜支架上。電纜支架與軸箱剛性連接，線夾板中心線與接地端子壓接面不在同一個(gè)平面，且線夾板固定點(diǎn)與接地端子固定點(diǎn)距離較近。接地端子斷裂位置均發(fā)生在沖壓圓角附近(見圖1 b))。

2 地鐵車輛軸箱接地端子開裂原因分析

2.1 接地電纜受力分析

接地電纜一端(末端)壓接端子，另一端通過安裝吊架連接于車體底架。車輛運(yùn)行時(shí)，接地電纜過短或者電纜與支架固定點(diǎn)夾緊不到位，一定程度上會(huì)造成電纜晃動(dòng)，可能引起接地端子出現(xiàn)裂紋。為此，在車體底架安裝紅外高清攝像頭，檢測(cè)地鐵線路運(yùn)營(yíng)時(shí)電纜產(chǎn)生位移的情況。通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，地鐵線路運(yùn)營(yíng)時(shí)并未發(fā)現(xiàn)接地電纜發(fā)生拉拽以及大位移晃動(dòng)；此外，普查現(xiàn)場(chǎng)接地端子開裂的車輛，各軸端接地電纜與支架夾緊情況良好，未發(fā)現(xiàn)電纜固定點(diǎn)有相對(duì)位移的現(xiàn)象。綜上所述，可以排除接地電纜受力不均的影響。

a) 軸端接地裝置

2.2 線夾板受力分析

考慮到線夾板中心線與接地端子壓接面不在同一個(gè)平面，具有一定的高度差，且線夾板固定點(diǎn)與端子固定點(diǎn)距離較近，使得軸端接地電纜在固定之初形成一定的非正常彎曲力，即電纜固定不平直，固定后使端子承受裝配應(yīng)力。如圖2所示，通過調(diào)整線夾板高度，使得端子壓接面與線夾板中心線位于同一高度平面，進(jìn)一步降低裝配應(yīng)力。通過調(diào)整，接地端子的疲勞壽命有所提高，但一段時(shí)間后其仍出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。由此可見，裝配應(yīng)力并非接地端子發(fā)生開裂的主要原因。

圖2 線夾板中心線高度調(diào)整后平面位置Fig.2 Plane position after height adjustment of cable clamp plates

2.3 接地端子成型過渡區(qū)應(yīng)力集中分析

現(xiàn)場(chǎng)普查發(fā)現(xiàn)，接地端子壓接成型過渡區(qū)存在沖壓損傷、圓角過小等問題，一定程度上導(dǎo)致沖壓圓角處形成應(yīng)力集中效應(yīng)，為此，可適當(dāng)提高沖壓圓角半徑，由原始的1.0 cm提高到2.5 cm(見圖3)。更換合格的接地端子后，其正常運(yùn)行時(shí)間明顯變長(zhǎng)，但一段時(shí)間后仍出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。由此可見，接地端子沖壓圓角應(yīng)力集中效應(yīng)并非其產(chǎn)生開裂的主要原因。

圖3 接地端子整改前后對(duì)比Fig.3 Comparison before and after grounding terminal improvement

2.4 接地端子理化分析

選取現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生開裂的接地端子，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，接地端子成型圓角處未出現(xiàn)因沖壓而形成銅管壁厚減薄的現(xiàn)象。對(duì)有裂紋的接地端子進(jìn)行理化分析，結(jié)果表明：①接地端子材質(zhì)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；②裂紋位置均發(fā)生在其壓接扁平面的過渡圓角區(qū)域；③接地端子壓扁成型時(shí)產(chǎn)生不同程度的表面擠壓、損傷痕跡，靠近端子接頭兩側(cè)邊緣區(qū)域比較明顯；④斷口位置表現(xiàn)為多源疲勞裂紋，且無其他缺陷。

優(yōu)化接地端子，使得壓接過渡圓更加平緩，避免應(yīng)力集中效應(yīng)，同時(shí)適當(dāng)提高線夾板的高度，使得線夾板中心線與接地端子壓接面處于同一個(gè)平面，避免產(chǎn)生裝配應(yīng)力。接地端子故障統(tǒng)計(jì)見表1。由表1可見，調(diào)整后接地端子開裂情況有所緩解，端子疲勞壽命從最初的2萬km提升至4萬～6萬km；但由于輪軌激擾沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)影響，接地端子仍然出現(xiàn)裂紋、折斷等現(xiàn)象。

表1 接地端子故障統(tǒng)計(jì)Tab.1 Fault statistics of grounding terminal

3 地鐵線路測(cè)試

3.1 車輪踏面狀態(tài)測(cè)試

車輪不圓引起的輪軌激擾不僅會(huì)影響乘客乘坐舒適度，同時(shí)會(huì)對(duì)車輛及其關(guān)鍵部件的服役性能造成影響[3]。為此，借助車輪不圓度測(cè)量?jī)x對(duì)車輛非圓化踏面進(jìn)行測(cè)試。采用非接觸測(cè)量方法，緩解車輛停放制動(dòng)，利用千斤頂將同軸兩側(cè)軸箱頂起，保證車輪自由轉(zhuǎn)動(dòng)。車輪粗糙度水平Lr，k定義為：

(1)

式中:

rk——車輪不圓度外形粗糙度r(x)的均方值在1/3倍頻程k中進(jìn)行量化;

rref——車輪粗糙度的參考值。

在國(guó)際單位制下，頻帶的中心波長(zhǎng)λk為：

λk=0.01×10k/10,λ=-10, -9,…,14,15

(2)

普查車輪不圓度測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)車輪普遍存在周期性不平順，如圖4所示。由圖4可見，車輪15階、22階多邊形特征明顯。因此，當(dāng)車輛以80 km/h的速度運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)由車輪不圓引起的輪軌激擾頻率約為126 Hz。

a) 極坐標(biāo)圖

3.2 軸箱、電纜支架與接地端子測(cè)試

選取1輛發(fā)生故障次數(shù)較多的車輛，在轉(zhuǎn)向架接地軸端布置加速度傳感器；同時(shí)為了掌握電纜支架及接地端子的應(yīng)力情況，在電纜支架正面(變截面?zhèn)?、端子壓接過渡圓角等8個(gè)部位(S1—S8)粘貼應(yīng)變片，測(cè)量其應(yīng)力水平。軸箱和電纜支架的加速度測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。電纜支架和接地端子的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

圖5 軸箱和電纜支架加速度測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Acceleration measuring points of axle box and cable bracket

圖6 電纜支架和接地端子應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置Fig.6 Stress measuring points of cable bracket and grounding terminal

按照振動(dòng)傳遞路徑分析方法開展輪軌、軸箱、電纜支架、電纜端子各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)特征分析。軸箱橫向振動(dòng)加速度時(shí)域特征如圖7所示。由圖7可見，在各區(qū)間內(nèi)，軸箱橫向加速度幅值集中在20g～40g范圍內(nèi)，部分區(qū)間軸箱橫向加速度幅值超過80g。軸箱橫向振動(dòng)加速度時(shí)頻特征如圖8所示。由圖8可見，軸箱橫向振動(dòng)加速度主要頻率成分集中在70～110 Hz，該頻帶不隨列車運(yùn)行速度變化而變化，是固有模態(tài)，并非車輪15階不圓所引起的輪軌激勵(lì)頻率。

圖7 軸箱橫向振動(dòng)加速度時(shí)域特征Fig.7 Time-domain characteristics of axle box vibration acceleration

圖8 軸箱橫向振動(dòng)加速度時(shí)頻特征Fig.8 Time-frequency characteristics of axle box vibration acceleration

接地端子及電纜支架應(yīng)力時(shí)域特征如圖9所示。由圖9可見，二者應(yīng)力幅值大小相當(dāng)；電纜支架應(yīng)力幅值較大時(shí)，接地端子應(yīng)力幅值響應(yīng)亦較大；電纜支架應(yīng)力幅值較小時(shí)，接地端子應(yīng)力響應(yīng)亦較?。磺叶邞?yīng)力幅值均值約為40 MPa，應(yīng)力幅值最大值均未超過80 MPa。接地端子及電纜支架應(yīng)力時(shí)頻分析如圖10所示。由圖10可見，電纜支架及接地端子應(yīng)力頻率成分均集中在70～110 Hz，同樣不隨車輛運(yùn)行速度變化而變化；結(jié)合軸箱應(yīng)力時(shí)頻特征，說明軸箱應(yīng)力頻率成分主要由軸箱振動(dòng)傳遞而來。

a) 接地端子

文獻(xiàn)[4]給出電纜支架的固有頻率，約為95 Hz。該固有頻率主要來源于輪軌激勵(lì)(頻率70～110 Hz)，并由電纜支架傳遞至軸箱；而安裝在軸箱處的電纜支架缺少一定的減振措施，直接承受來自輪軌的激勵(lì)；通過線夾板帶動(dòng)接地電纜及接地端子發(fā)生共振，進(jìn)一步累積導(dǎo)致接地端子壓接圓角處發(fā)生開裂。

a) 接地端子

1) 進(jìn)一步選擇列車高速運(yùn)行區(qū)間，如圖11所示，列車最高運(yùn)行速度為70 km/h。典型區(qū)間車輛軸箱加速度時(shí)頻特征如圖12所示。具體地：車輛在典型區(qū)間A、B、C內(nèi)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向架軸箱并非始終存在70～110 Hz的頻率特征，反而表現(xiàn)出明顯的區(qū)段特征：即在上述區(qū)間內(nèi)，伴隨車輛高速運(yùn)行，輪軌激勵(lì)頻率特征(70～110 Hz)時(shí)有時(shí)無，且該頻率成分始終與車輛運(yùn)行速度無關(guān)。

2) 車輛通過普通道床時(shí)，表現(xiàn)出明顯70～110 Hz頻帶特征；而通過減振道床時(shí)，該頻率成分占比很小。

圖11 典型區(qū)間列車運(yùn)行速度-時(shí)間曲線Fig.11 Metro running speed-time cure in typical sections

對(duì)比車輛通過普通道床和減振道床時(shí)接地端子應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見圖13)可知，車輛通過普通道床時(shí)，接地端子應(yīng)力幅值平均值可達(dá)到60 MPa；而通過減振道床時(shí)，接地端子應(yīng)力幅值均值僅為10 MPa。進(jìn)一步分析表明，車輛通過普通道床時(shí)，輪軌激擾通過車輪傳遞至軸箱，引起電纜支架與接地端子組成的系統(tǒng)發(fā)生共振，且該激擾特征在普通道床上表現(xiàn)尤為突出，這是導(dǎo)致接地端子開裂的主要原因；隨著車輛運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加，電纜支架也存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖12 典型區(qū)間軸箱加速度時(shí)頻特征Fig.12 Time-frequency characteristics of axle box in typical sections

a) 車輛通過普通道床時(shí)

4 結(jié)論

1) 對(duì)地鐵車輛軸箱接地端子開裂問題，開展了原因分析及試驗(yàn)研究。明確了車輛通過普通道床時(shí)，存在較大的輪軌激擾作用，且其會(huì)與電纜支架和接地端子組成的系統(tǒng)發(fā)生耦合共振，導(dǎo)致接地端子開裂。

2) 接地端子壓接過渡圓角半徑偏小而形成應(yīng)力集中效應(yīng)，以及線夾板中心線與接地端子壓接面不在同一水平面而形成裝配應(yīng)力，是導(dǎo)致接地端子發(fā)生開裂的次要因素。

3) 通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步提高電纜支架及接地端子組成的系統(tǒng)的固有模態(tài)頻率，避免車輛通過普通道床時(shí)發(fā)生耦合共振；通過優(yōu)化接地端子過渡圓角，減小應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而提高接地端子的使用壽命。

4) 結(jié)合地鐵車輛、線路等的運(yùn)營(yíng)維護(hù)特點(diǎn)，定期對(duì)線路進(jìn)行檢修維護(hù)和保養(yǎng)，避免形成較大的輪軌激擾作用；必要時(shí)調(diào)整普通道床減振扣件，進(jìn)一步降低輪軌激擾作用。