傅駿
（廣州市地下鐵道總公司運營事業總部車輛中心）
摘 要：廣州市地鐵一號線車輛已運用多年，隨著運營里程的增加，車輛中帶接地裝 置軸箱的故障率明顯上升，為此分析了 一號線車輛軸箱接地裝置發生故障的原因，提 出了相應的解決辦法和應對措施，減少損失。
關鍵詞：地鐵車輛；軸箱；接地裝置；脆性斷裂
廣州市地下鐵道總公司（以下簡稱廣州地鐵） 于1997年開通運營地鐵一號線，截至目前該線車輛已使用14年，運用公里數累計超過150萬km。隨著使用時間的增加，車輛中帶接地裝置軸箱的故障率明顯上升，主要表現為內部結構的機械斷裂。對此種故障進行具體分析，有利于完善平時檢修作業標準，提高車輛正線運營安全性。
一、接地裝置結構
廣州地鐵一號線車輛在動車的所有輪對（4條）和拖車第2、3輪對軸箱上裝配有接地裝置，一列車總數為20個。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）、導電銅棒組成（見圖1）。導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螺紋，由固定螺栓將導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（圓盤固定在輪對上）。受流時，電流通過導電銅棒流向安裝支架，再由接地碳刷流入輪對。
二、故障分析
廣州地鐵一號線車輛自2006年起陸續出現接地裝置整件故障，表現為整件內導電銅棒固定螺栓松動、掉落和安裝支架固定座斷裂。由于這兩種故障均導致車輛受流回路部件被破壞，使得電流無法良好回流，當需要承載較大電流時存在一定的安全隱患。檢査所有接地裝置整件故障發現，此故障與車號無關，發生周期無規律性，但安裝支架固定座斷裂時必然同時有導電銅棒固定螺栓掉落現象，反之卻不一定成立，說明固定座斷裂可能是由導電銅棒固定螺栓掉落引發的二次故障，且發生幾率較大。
1.導電銅棒固定螺栓掉落分析
導電銅棒為圓柱形銅棒料經過機加工所得，材質為T2紫銅。銅棒兩端各有一段區域需要進行銑削加工，且在出的銑處的平面上開有通孔，如圖2所示。
安裝支架所帶內螺紋長度僅約為5 mm，致使緊固螺栓產生的預緊力有限。導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。導電銅棒另一端連接著柔性車體接地線，經分析，外力可從接地線與導電銅棒連接處產生。
車輛運行過程中，雖然有一系人字彈簧的約束，但軸箱與構架仍存在相對運動，可大致解耦成軸向和垂向運動。柔性車體接地線有部分被電纜夾緊固在轉向架上如圖3所示，若電纜夾固定處與銅導線 連接處之間的車體接地線過短，在軸箱的軸向運動中，柔性車體接地線會隨軸箱的內、外移而被拉伸，從而在銅導線連接的一端產生拉力，方向為沿瞬時車體接地線方向指向銅棒外側。長期受到此拉力的作用，相當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，從而使導電銅棒與安裝支架連接處在車輛運動時受到的局部應力增大，后繼可能出現兩種故障現象:要么緊固螺栓脫離安裝支架，掉落在接地裝置內；要么在緊固螺栓脫離安裝支架之前，此端銅棒通孔處材質斷裂，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，按相隔120°圓周等分分布在接地裝置殼體內側，是與接地裝置外殼體一起鑄造出來的，其局部側面示意圖如圖4所示。 固定座可看作為一個與外殼相連的懸臂梁，當螺栓掉落到接地裝置內后，固定座有可能發生斷裂，斷裂的個數不定。統計所有的斷裂固定座，發現斷裂面的側面基本都沿著圖4中的虛線ED方向。
根據損傷力學理論，光滑區域為裂紋擴展區，粗糙部位為瞬時斷裂區⑴。以圖5所示實物為例，斷裂面內不規則分布著兩處較光滑小區域，目測面積總和約10% ,其余為粗糙面。有一處光滑區域在斷裂面內呈島狀分布，未延伸至邊緣，另一處光滑區與邊緣輪廓重合。造成此裂紋的情況應是鑄造缺陷，或是長時間運用后產生的裂紋核擴展成較短的裂紋。若此現象為斷裂原因，則應該是同一批次軸箱內普遍現象，這與事實不符。
在發生斷裂的接地裝置內，固定座背面留有較嚴重的劃傷，有的還有規則的齒狀壓痕，位置基本為CD段，深度大約2~3 mm,寬度不定，銅滑圓盤在此相應位置也有類似劃痕。結合瞬時斷裂區面積遠大 于裂紋擴展區現象推斷，固定座應是先受到損傷，再突然受到超過承載強度的外力導致斷裂。由于所有車輛運行軌道條件、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 批量出現，且斷裂情況只發生在固定螺栓掉落后，因此可以排除正常運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，在輪對轉動過程中，銅滑圓盤擠壓卡在間隙中的螺栓而對固定座產生外部應力，固定座無法承受此應力而斷裂；
B.螺栓被固定在軸端旋轉的銅滑圓盤不斷撞擊而再次撞上固定座，固定座先出現裂紋，在承受較大載荷時Z終斷裂。
根據固定座安裝位置，正面被撞擊的可能性很小，只有側面才有可能被撞擊導致固定座斷裂，但經現場檢查，斷裂固定座側面無明顯傷痕，側面斷裂輪廓線與掉落位置邊緣基本吻合。根據之前分析，固定座須先受損傷，應在側面留下明顯撞擊點，但檢査所有固定座均沒有明顯撞擊點。而且螺栓在軸箱體內極易撞上固定座側面，若是由此導致斷裂，則此故障必然頻發，與發現的固定座斷裂只是存在一定故 障率的事實不符。
所以只有一種可能，就是螺栓被夾在固定座背面時對其造成損傷Z后導致固定座斷裂。DE段是固定座的主要受力部位，一旦劃傷，相當于材料出現幾何缺陷，根據材質的缺陷敏感性，這一部位極易在應力作用下發生疲勞、斷裂。
三、應對措施
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行焊接工作，所以對此故障件一般報廢整個接地裝置，帶來的成本損失較大。可以從這幾方面進行改進，合理運用,降低此故障的發生率:
1.調整接地線與導電銅棒連接處長度，保證接地銅棒車輛在運行時不受外力影響；
2.改進接地銅棒備件。可人為制造材料缺陷，在接地銅棒與銅安裝支架緊固螺栓附近制造出 一個V形槽，利用材料的缺陷敏感性，當銅棒受到外力時自身發生斷裂，使得固定螺栓依舊固定在銅安裝架上，不會掉落，從而避免固定座斷裂的二次故障的發生；
3.增加開蓋檢査次數，及時發現故障。
四、總結
廣州地鐵一號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行時受掉落螺栓擠壓應力所致，針對此 故障釆用了合理的改進方式降低其故障率。
參考文獻：
［1］ 張安哥，朱成九，陳夢成.疲勞、斷裂與損傷［M］.成都：西南交通 大學出版社,2006.
［2］ 王國安，孟顯利，甘建琨.工程機械結構件失效分析研究及應用 ［J］.裝備制造技術.2010（5） "37 - 139.
來源：《鐵道機車車輛工人》
