地鐵車輛軸箱接地端子異常開裂原因分析

楊 晶 馬曉龍 王洪權 李永生 劉洪濤

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心， 130062， 長春∥第一作者， 高級工程師)

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，同時還可以有效實現電磁防護作用，是轉向架的關鍵部件之一[1-2]。而接地裝置位于轉向架軸箱，其在車輛運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態沖擊載荷；再加上接地裝置的服役環境相對復雜惡劣，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傳遞路徑的軸箱加速度，以及電纜支架和接地端子的應力測試，分析了道床-軸箱-支架-接地端子振動傳遞路徑特征，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，并為日后的改進設計提供技術參考。

1 地鐵車輛軸箱接地端子開裂現象

某地鐵列車為“2動+2拖”4節編組，最高運行速度為80 km/h。該地鐵列車自運營以來累計發生軸箱接地端子開裂問題40余起。軸端接地端子材質為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平面，且線夾板固定點與接地端子固定點距離較近。接地端子斷裂位置均發生在沖壓圓角附近(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。車輛運行時，接地電纜過短或者電纜與支架固定點夾緊不到位，一定程度上會造成電纜晃動，可能引起接地端子出現裂紋。為此，在車體底架安裝紅外高清攝像頭，檢測地鐵線路運營時電纜產生位移的情況。通過檢測發現，地鐵線路運營時并未發現接地電纜發生拉拽以及大位移晃動；此外，普查現場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，未發現電纜固定點有相對位移的現象。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平面，具有一定的高度差，且線夾板固定點與端子固定點距離較近，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力。如圖2所示，通過調整線夾板高度，使得端子壓接面與線夾板中心線位于同一高度平面，進一步降低裝配應力。通過調整，接地端子的疲勞壽命有所提高，但一段時間后其仍出現開裂現象。由此可見，裝配應力并非接地端子發生開裂的主要原因。

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

2.3 接地端子成型過渡區應力集中分析

現場普查發現，接地端子壓接成型過渡區存在沖壓損傷、圓角過小等問題，一定程度上導致沖壓圓角處形成應力集中效應，為此，可適當提高沖壓圓角半徑，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，其正常運行時間明顯變長，但一段時間后仍出現斷裂現象。由此可見，接地端子沖壓圓角應力集中效應并非其產生開裂的主要原因。

圖3 接地端子整改前后對比Fig.3 Comparison before and after grounding terminal improvement

2.4 接地端子理化分析

選取現場發生開裂的接地端子，經分析發現，接地端子成型圓角處未出現因沖壓而形成銅管壁厚減薄的現象。對有裂紋的接地端子進行理化分析，結果表明：①接地端子材質滿足標準要求；②裂紋位置均發生在其壓接扁平面的過渡圓角區域；③接地端子壓扁成型時產生不同程度的表面擠壓、損傷痕跡，靠近端子接頭兩側邊緣區域比較明顯；④斷口位置表現為多源疲勞裂紋，且無其他缺陷。

優化接地端子，使得壓接過渡圓更加平緩，避免應力集中效應，同時適當提高線夾板的高度，使得線夾板中心線與接地端子壓接面處于同一個平面，避免產生裝配應力。接地端子故障統計見表1。由表1可見，調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生的振動影響，接地端子仍然出現裂紋、折斷等現象。

表1 接地端子故障統計Tab.1 Fault statistics of grounding terminal

3 地鐵線路測試

3.1 車輪踏面狀態測試

車輪不圓引起的輪軌激擾不僅會影響乘客乘坐舒適度，同時會對車輛及其關鍵部件的服役性能造成影響[3]。為此，借助車輪不圓度測量儀對車輛非圓化踏面進行測試。采用非接觸測量方法，緩解車輛停放制動，利用千斤頂將同軸兩側軸箱頂起，保證車輪自由轉動。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中進行量化;

rref——車輪粗糙度的參考值。

在國際單位制下，頻帶的中心波長λk為：

λk=0.01×10k/10,λ=-10, -9,…,14,15

(2)

普查車輪不圓度測試結果，發現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，當車輛以80 km/h的速度運行時，對應由車輪不圓引起的輪軌激擾頻率約為126 Hz。

a) 極坐標圖

3.2 軸箱、電纜支架與接地端子測試

選取1輛發生故障次數較多的車輛，在轉向架接地軸端布置加速度傳感器；同時為了掌握電纜支架及接地端子的應力情況，在電纜支架正面(變截面側)、端子壓接過渡圓角等8個部位(S1—S8)粘貼應變片，測量其應力水平。軸箱和電纜支架的加速度測點布置如圖5所示。電纜支架和接地端子的應力測點布置如圖6所示。

圖5 軸箱和電纜支架加速度測點布置Fig.5 Acceleration measuring points of axle box and cable bracket

圖6 電纜支架和接地端子應力測點布置Fig.6 Stress measuring points of cable bracket and grounding terminal

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

圖7 軸箱橫向振動加速度時域特征Fig.7 Time-domain characteristics of axle box vibration acceleration

圖8 軸箱橫向振動加速度時頻特征Fig.8 Time-frequency characteristics of axle box vibration acceleration

接地端子及電纜支架應力時域特征如圖9所示。由圖9可見，二者應力幅值大小相當；電纜支架應力幅值較大時，接地端子應力幅值響應亦較大；電纜支架應力幅值較小時，接地端子應力響應亦較小；且二者應力幅值均值約為40 MPa，應力幅值最大值均未超過80 MPa。接地端子及電纜支架應力時頻分析如圖10所示。由圖10可見，電纜支架及接地端子應力頻率成分均集中在70～110 Hz，同樣不隨車輛運行速度變化而變化；結合軸箱應力時頻特征，說明軸箱應力頻率成分主要由軸箱振動傳遞而來。

a) 接地端子

文獻[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(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；通過線夾板帶動接地電纜及接地端子發生共振，進一步累積導致接地端子壓接圓角處發生開裂。

a) 接地端子

1) 進一步選擇列車高速運行區間，如圖11所示，列車最高運行速度為70 km/h。典型區間車輛軸箱加速度時頻特征如圖12所示。具體地：車輛在典型區間A、B、C內運行時，轉向架軸箱并非始終存在70～110 Hz的頻率特征，反而表現出明顯的區段特征：即在上述區間內，伴隨車輛高速運行，輪軌激勵頻率特征(70～110 Hz)時有時無，且該頻率成分始終與車輛運行速度無關。

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

圖11 典型區間列車運行速度-時間曲線Fig.11 Metro running speed-time cure in typical sections

對比車輛通過普通道床和減振道床時接地端子應力試驗數據(見圖13)可知，車輛通過普通道床時，接地端子應力幅值平均值可達到60 MPa；而通過減振道床時，接地端子應力幅值均值僅為10 MPa。進一步分析表明，車輛通過普通道床時，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發生共振，且該激擾特征在普通道床上表現尤為突出，這是導致接地端子開裂的主要原因；隨著車輛運營里程的不斷增加，電纜支架也存在開裂風險。

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

a) 車輛通過普通道床時

4 結論

1) 對地鐵車輛軸箱接地端子開裂問題，開展了原因分析及試驗研究。明確了車輛通過普通道床時，存在較大的輪軌激擾作用，且其會與電纜支架和接地端子組成的系統發生耦合共振，導致接地端子開裂。

2) 接地端子壓接過渡圓角半徑偏小而形成應力集中效應，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力，是導致接地端子發生開裂的次要因素。

3) 通過結構優化，進一步提高電纜支架及接地端子組成的系統的固有模態頻率，避免車輛通過普通道床時發生耦合共振；通過優化接地端子過渡圓角，減小應力集中現象，從而提高接地端子的使用壽命。

4) 結合地鐵車輛、線路等的運營維護特點，定期對線路進行檢修維護和保養，避免形成較大的輪軌激擾作用；必要時調整普通道床減振扣件，進一步降低輪軌激擾作用。