城軌車輛軸端接地線纜設(shè)計(jì)方法優(yōu)化

張毅

摘要：隨著城市軌道建設(shè)的快速發(fā)展，城軌線路日漸增多，城軌車輛的安全可靠運(yùn)行直接關(guān)系到人們的日常出行。文章對城軌車輛運(yùn)行過程中的軸端接地線纜設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了深入的分析和研究，并制定了相應(yīng)的優(yōu)化解決方案。

關(guān)鍵詞：城軌車輛;軸端接地線纜;設(shè)計(jì)方法優(yōu)化

目前城軌車輛多采用受電弓受流技術(shù)。采用受電弓受流的方式需要通過軌道實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)電流的回流，也就是需要將電流從受電弓經(jīng)由變壓器最后通過轉(zhuǎn)向架的軸端接地裝置進(jìn)行回流，因此，需要為特定的轉(zhuǎn)向架配置軸端接地線纜。本文將對城軌車輛運(yùn)行過程中的軸端接地線纜設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入的分析和研究，并制定相應(yīng)的優(yōu)化解決方案。

1目前的國內(nèi)軸端接地線纜設(shè)計(jì)方案

目前所有國內(nèi)城軌車輛軸端接地方案如圖1所示，主要存在轉(zhuǎn)向架側(cè)L1和車體側(cè)L2段線纜長度控制不良、線纜柔性不夠等問題，如果線纜長度不滿足相對運(yùn)動的要求且柔性又不夠，車輛通過曲線時(shí)，在軸端接地裝置的持續(xù)振動下容易造成線纜端部斷裂問題?，F(xiàn)象主要有車體端接地線纜斷裂、轉(zhuǎn)向架軸端接地線纜斷裂以及車體端線卡斷裂等。

1.1車體端接地線纜斷裂

經(jīng)過分析論證，易造成車體端接地線纜斷裂的主要原因?yàn)椋海?）車體端接地線纜和車體接地匯流排連接處沒有采取相應(yīng)的固定措施，線纜與接線端子銜接處因壓接需求沒有線纜絕緣，在線纜隨轉(zhuǎn)向架擺動時(shí)接線端子根部的線纜會存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中。（2）線纜長度在設(shè)計(jì)時(shí)受空間環(huán)境的限制沒有留有充足的活動余量，且圖紙沒有對長度做出明確的規(guī)定，不同車輛線纜施工長度存在較大差異。（3）在線纜端部沒有額外固定情況下，車輛通過小曲線時(shí)，線纜根部裸銅線處反復(fù)拖拽折彎，經(jīng)過一段時(shí)間的往復(fù)疲勞彎曲后，線纜發(fā)生了斷股甚至斷裂。

針對車體端接地線纜斷裂，可以采用設(shè)計(jì)方案如下：（1）在車體端接地線纜端部靠近端子的位置增加了固定線卡對線纜進(jìn)行固定（圖2），對線纜銅線裸露的柔弱部分進(jìn)行了保護(hù)，以便減小了線纜無防護(hù)部分的應(yīng)力集中。（2）適當(dāng)增加線纜原始設(shè)計(jì)長度，以減少線纜所受的拉力。在圖紙上進(jìn)行明確的規(guī)定，對施工進(jìn)行規(guī)范，并經(jīng)過曲線運(yùn)行驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。

1.2轉(zhuǎn)向架軸端接地線纜斷裂

經(jīng)過分析論證，易造成轉(zhuǎn)向架軸端接地線纜斷裂的主要原因?yàn)椋恨D(zhuǎn)向架軸端接地線纜在軸端處依靠端子的安裝孔與軸端上的銅排連接，端子和線纜連接的根部也未固定，長時(shí)間運(yùn)行后，如果在轉(zhuǎn)向架軸端接地線纜處未設(shè)保護(hù)裝置，且線纜在軸端與構(gòu)架之間也未留有足夠的吸收振動的緩沖長度，造成轉(zhuǎn)向架軸端接地線纜和接線端子連接的根部高頻振動模式下出現(xiàn)疲勞斷裂。

針對轉(zhuǎn)向架軸端接地線纜斷裂，可以采用設(shè)計(jì)方案如下：開發(fā)了一種轉(zhuǎn)向架軸端接地線纜固定支架組件，利用該組件將線纜和端子的根部加強(qiáng)，減少線纜和端子根部的應(yīng)力集中;同時(shí)加長軸端和構(gòu)架之間線纜的長度，減少線纜的應(yīng)力集中。采用此種方案，轉(zhuǎn)向架軸端接地線纜應(yīng)力集中的根部受到了加強(qiáng)保護(hù)，通過線纜長度的大幅增加，轉(zhuǎn)向架軸端接地線纜的高頻振動也得到了緩沖，可以有效地避免了線纜斷股和斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3車體端線卡斷裂

在國內(nèi)城軌車輛設(shè)計(jì)過程中，為了方便調(diào)整線纜的角度，簡化安裝，軸端接地線纜在車體端部分通常采用Q型線卡進(jìn)行固定，運(yùn)行過程中 Q 型線卡易發(fā)生了斷裂的現(xiàn)象。

經(jīng)過分析論證，易造成車體端線卡斷裂的主要原因?yàn)椋壕€纜柔性不良。

針對車體端線卡斷裂，可以采用設(shè)計(jì)方案如下：現(xiàn)有城軌車輛多采用標(biāo)準(zhǔn)壁厚聚烯烴電纜，該電纜直徑大、絕緣厚、柔性差，造成線卡在線纜擺動時(shí)承受了較大的應(yīng)力，進(jìn)而造成斷裂。將現(xiàn)有線纜更換為柔性指標(biāo)更好的高溫硅膠電纜，硅膠電纜具有更好的柔性和韌性，能有效避免線卡由于受力過大造成的斷裂故障。

2軸端接地線纜設(shè)計(jì)方法優(yōu)化

轉(zhuǎn)向架與車體間軸端接地線纜問題產(chǎn)生的原因很多，涉及到長度設(shè)計(jì)、線纜選型、軸端固定方案、出線方案等多個(gè)設(shè)計(jì)技術(shù)因素，但要從根本上解決軸端接地線纜的故障問題，必須從設(shè)計(jì)工具、設(shè)計(jì)驗(yàn)證能力等方面進(jìn)行提升，僅僅依靠原始的二維理論計(jì)算和車輛的小曲線驗(yàn)證無法滿足當(dāng)前設(shè)計(jì)精度和效率的需求。

2.1三維仿真設(shè)計(jì)方法

完成轉(zhuǎn)向架軸端接地點(diǎn)以及傳感器類線纜位置設(shè)計(jì)的三維模型后，利用專項(xiàng)開發(fā)的3D 仿真軟件模擬轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)角和車體轉(zhuǎn)角位移，從而確定線纜的極限工況，自動生成線纜的模型和長度。建立計(jì)算模型后，通過輸入轉(zhuǎn)向架旋轉(zhuǎn)的角度即可以生成不同位置的線纜模型和實(shí)體長度，可以比較精確地模擬出線纜擺動到極限狀態(tài)過程中線纜的狀態(tài)和需要的最小長度值。

2.2地面柔性布線模擬試驗(yàn)臺

軟件仿真針對線纜的剛度值設(shè)計(jì)仍存在一定的偏差，需要通過實(shí)物模擬確定最接近實(shí)際的線纜狀態(tài)和長度，因此設(shè)計(jì)建造了地面柔性布線模擬試驗(yàn)臺對線纜長度進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。試驗(yàn)臺可進(jìn)行±15°以內(nèi)任何角度的旋轉(zhuǎn)工況試驗(yàn)，采用伺服電機(jī)自動控制旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)對理論仿真的線纜長度進(jìn)行驗(yàn)證，保證長度設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際運(yùn)用情況。

總之，通過3D軟件輔助以及試驗(yàn)臺模擬等方法，可以推演轉(zhuǎn)向架與車體間柔性布線的完整設(shè)計(jì)流程，減少因設(shè)計(jì)方法缺失導(dǎo)致軸端接地線纜出現(xiàn)問題。目前國內(nèi)外城軌車輛軸端接地線纜的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案基本一致，故障發(fā)生的模式也大致相同，因此上述軸端接地線纜設(shè)計(jì)方法優(yōu)化可在國內(nèi)以及國外應(yīng)用，對提高城軌車輛的運(yùn)行品質(zhì)、降低城軌車輛的運(yùn)行故障具有重要的作用。

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