軌道車輛轉(zhuǎn)向架接地線故障定性分析與解決

夏 峰，梁雯雯，綦 芳

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，南京 210031）

0 引言

軌道車輛接地與回流系統(tǒng)是車輛安全的重要組成部分。其主要功能包含兩個方面，一是電流回流接地對司乘人員的安全影響；二是保證車輛各電氣設(shè)備的安全。車輛接地一般通過轉(zhuǎn)向架輪對與鋼軌的接觸達(dá)到車輛接地的作用。由于車輛與轉(zhuǎn)向架間有橡膠空氣彈簧隔離，因此通過車體與轉(zhuǎn)向架之間連接接地線，保證車輛有效地接地[1]。軌道車輛暴露出很多與保護(hù)接地相關(guān)的問題。已有經(jīng)驗表明，保護(hù)接地設(shè)置不合理會造成車體環(huán)流過大、軸承電蝕、電機(jī)軸承異常磨損等問題[2]。接地線完好且接觸良好是車輛安全的關(guān)鍵。接地系統(tǒng)是否可靠，直接關(guān)系到供電系統(tǒng)以及其他設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行[3]。本文以一起接地線故障為例，通過對故障進(jìn)行調(diào)查，分析故障原因，從多個方面分析故障的影響因素，從而對接地線本身進(jìn)行重新選型，改進(jìn)接地線電氣性能和機(jī)械性能并提出有效的解決方案，完美解決了列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架接地線容易疲勞斷裂的問題。此設(shè)計思路可廣泛推廣到列車各移動部件的安全接地設(shè)計系統(tǒng)中，為解決軌道車輛中出現(xiàn)的此類問題提供參考方向。

1 故障描述

某城市一列軌道交通車輛在運(yùn)行過程中車輛駕駛室一側(cè)有一聲巨響，同時司機(jī)顯示單元（DDU）界面顯示5號車高壓箱故障，且高速斷路器分合燈不亮。車輛停穩(wěn)后，司機(jī)根據(jù)應(yīng)急處理手冊復(fù)位合高速斷路器后故障消失。列車完成本次運(yùn)營回到車輛段停車庫進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)5號車1轉(zhuǎn)向架左側(cè)構(gòu)架接地線斷開，電纜斷開后與第三軌接觸造成瞬間短路，該車下線并進(jìn)行檢修。

2 故障分析

2.1 使用環(huán)境

本線路全長27 km，其中地下線20.1 km，高架線6.9 km；共設(shè)車站22座，其中地下站18座，高架站4座；換乘車站共6座。正線曲線半徑300 m、輔助線曲線半徑150 m、車場線曲線半徑150 m、S型曲線半徑R（左）150 m-4.5 m-R（右）150 m。

安全接地主要為設(shè)備外殼接地。設(shè)備外殼通過導(dǎo)線直接連接到車體上[4]，然后經(jīng)過電阻R通過導(dǎo)線連接至車體上。列車上所有轉(zhuǎn)向架通過接地線與車體直接相連。此故障接地線即為轉(zhuǎn)向架安全接地線。在車輛運(yùn)行中，接地線位于轉(zhuǎn)向架一段隨構(gòu)架一起轉(zhuǎn)動，本項目接地方案如圖1所示。

圖1 車輛主電路接地回流方案

圖中構(gòu)架接地線為安全接地，每個轉(zhuǎn)向架有2個接地線連接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體。接地線安裝與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)面另一端與車體接地塊相連接，此處為本項目故障位置。如圖2所示。

圖2 接地線斷裂故障狀態(tài)

2.2 故障狀態(tài)

本項目用的接地線線纜為120 mm2，電纜標(biāo)準(zhǔn)符合EN 50382-23 600 V 120 F 120℃XZ，載流能力526 A[5]。根據(jù)故障狀態(tài)，基本可以判斷接地線上端與車體連接部位折斷，折斷部位下垂，下垂部位低于軌面，折斷端部絕緣層有明顯的燒灼痕跡。故障狀態(tài)如圖2所示。由此可見，該接地電纜折斷，折斷下落的過程中與三股接觸，導(dǎo)致列車高壓電源短路，出現(xiàn)高速斷路器斷開保護(hù)的故障現(xiàn)象。接地線垂下后并不會繼續(xù)與受電軌接觸，因此司機(jī)在停車后按照手冊操作可以閉合高速斷路器開關(guān)。

2.3 故障調(diào)查

2.3.1 故障排查

故障列車共運(yùn)行約3年，截至故障發(fā)生時運(yùn)行里程約42萬km。列車回庫后對本列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架接地線進(jìn)行檢查，2、3、6、7轉(zhuǎn)向架接地線均有不同程度的松動，部分?jǐn)嗔选Ｍ瑫r對本項目所有車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架接地線進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)項目中多車存在構(gòu)架接地線斷股情況，斷裂情況統(tǒng)計如表1所示。

表1 項目故障點統(tǒng)計

2.3.2 接地線檢查

折斷處電纜斷面導(dǎo)電銅芯較新，未見整體氧化跡象。折斷接線端子處，電纜銅芯有氧化現(xiàn)象，氧化表面呈現(xiàn)淺綠色痕跡，氧化面積約占50%。故障接地線斷面銅線芯顏色不同。最外側(cè)線芯斷面為黑色并伴有銅綠。邊緣向中心方向顏色組件變淺。中心處約1/4銅芯斷面為銅的本色紫紅色。周圍線芯已生銹腐蝕，因此可判斷斷裂時間較長。中心部分線芯未生銹斷裂時間較短。據(jù)此可認(rèn)定接地線為逐步斷裂，位于外部的線芯先斷裂并慢慢向中心沿伸，當(dāng)出現(xiàn)大的外作用力時，中心部分突然斷裂造成故障。接地線斷面如圖3所示。

圖3 接地線線芯斷面

2.3.3 運(yùn)動狀態(tài)

為了研究轉(zhuǎn)向架在曲線上相對車體的轉(zhuǎn)角，可建立簡約集合模型。以半徑R為軌道所在的區(qū)間彎曲圓弧。在此忽略軌距，僅以內(nèi)外軌中心線作為軌道彎曲半徑。假定轉(zhuǎn)向架為靜止?fàn)顟B(tài)，則在任意狀態(tài)轉(zhuǎn)向架均沿著軌道切線方向行駛，所以轉(zhuǎn)向架運(yùn)行方向為軌道的切線方向。接地線安裝示意圖如圖4所示。由圖可知，轉(zhuǎn)向架與車體理論夾角約為兩相鄰轉(zhuǎn)向架中心連接線與此轉(zhuǎn)向架運(yùn)行方向的夾角。圖中轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體的夾角為A。每個轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有2個接地線且兩接地線位置中心對稱。接地點距離轉(zhuǎn)向架中心點縱向距離為Lb；接點線安裝點距離車輛中心線的距離為La；接地點距離轉(zhuǎn)向架中心點的橫向距離為Lc。列車在線路上往返運(yùn)動是此接地點相對中心的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)該為2A。接地點的相對位移為此處繞轉(zhuǎn)向架中心旋轉(zhuǎn)2A角時的弧長。本項目列車速度等級為80 km/h。

圖4 接地線安裝

根據(jù)研究可得出以下公式：

據(jù)此，本項目線路參數(shù)可以得出接地點相對運(yùn)動距離L為22.6 cm，因此車輛在線路上往返運(yùn)動中轉(zhuǎn)向架相對運(yùn)動位移為45.2 cm。車輛運(yùn)動過程中轉(zhuǎn)向架存在一定程度的震動，且震動幅度隨速度加快而增大，故接地線的實際轉(zhuǎn)動距離大于此數(shù)據(jù)。此項目線路多彎道造成列車運(yùn)行過程中頻繁轉(zhuǎn)動。

2.3.4 端子壓接

軌道車輛適用的冷壓界限端子是用壓接方式使電纜末端導(dǎo)體與用電裝置接線端相連接的導(dǎo)電金具。其通常與電纜導(dǎo)體連接的一端為管狀，與用電裝置連接的另一端為特殊形狀的平板[6]。在標(biāo)準(zhǔn)TJ/CL 542-2018鐵道客車?yán)鋲航泳€端子壓接暫行技術(shù)條件中規(guī)定，一段封閉帶有觀察孔的冷壓端子的壓接要求如圖5所示。

圖5 冷壓接線端子導(dǎo)線位置

壓接后的尺寸如表2所示。

從標(biāo)準(zhǔn)可知，導(dǎo)線與端子尾部金屬部件間隙為b。本項目電纜為120 mm2，故合理的壓接間隙為0～2 mm[7]。

表2 冷壓接線端子導(dǎo)線尺寸

2.4 故障總結(jié)

列車運(yùn)行過程中，接地線隨車體的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。隨著運(yùn)行位置的不同，轉(zhuǎn)向架與車體的相對位置也無規(guī)律的變化。在壓接端子與電纜連接處存在小段電纜無外部絕緣層，此部分在往復(fù)運(yùn)動中必然形成應(yīng)力的集中現(xiàn)象，長此以往造成線芯疲勞發(fā)生斷股或斷裂現(xiàn)象。

3 改善措施

3.1 技術(shù)改進(jìn)

列車運(yùn)行過程，轉(zhuǎn)向架與車體之間的相對位移和震動是不可避免的。解決此問題的辦法是降低應(yīng)力集中現(xiàn)象，達(dá)到減小斷裂風(fēng)險的目的。普通電纜的壓接不可避免地在電纜和端子尾部存在連接材質(zhì)的變化和縫隙，必然產(chǎn)生轉(zhuǎn)動時應(yīng)力的突變造成疲勞斷裂。從另一方面考慮適當(dāng)減小電纜的剛度，也是降低疲勞產(chǎn)生比較有效的一種辦法。

從圖1所示的車輛主電路接地回流方案可知，車輛的回流接地時，通過轉(zhuǎn)向架軸端接地裝置連接轉(zhuǎn)向架輪對，從而通過與軌道的接觸使得電流回流至地面。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架接地線的主要功能為安全接地的作用，正常運(yùn)行過程中并無電流且電勢理論上為0 V。因此可考慮采用接地專用電纜代替構(gòu)架接地線，一般采用GB/T 12970電工軟銅絞線中所規(guī)定銅絞線做接地線。

軟銅絞線是以絞合單線繞絞線軸等角速度旋轉(zhuǎn)和絞線勻速前進(jìn)運(yùn)動實現(xiàn)的。常用的有銅、鋁2種，銅、鋁線可以絞制成各種不同規(guī)格截面以及不同種類的電線電纜的導(dǎo)線電芯[8]。適用于工作頻率較高、單股軟銅絞線線材的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)損耗過大的場合。使用絞線可以使運(yùn)行溫度降低，相比同截面積的單股線，絞線擁有更高的機(jī)械性柔韌性。

綜合考慮，項目適用規(guī)格擬采用TJRX3型鍍錫軟銅絞線。單線總數(shù)6 840根，計算外徑20.24 mm[9]。原接地電纜根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可知外徑范圍為19.3～22.6 mm，理論外徑基本相同。TJRX3型鍍錫軟銅絞線規(guī)格如表3所示。

表3 TJRX3型鍍錫軟銅絞線規(guī)格

3.2 試驗驗證

根據(jù)NFF00 363電氣連接壓接產(chǎn)品——裸露或預(yù)絕緣的端子與連接器標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，冷壓接端子與電纜產(chǎn)品需進(jìn)行拉脫力試驗。本實驗將試樣安裝在一臺拉伸試驗機(jī)器上，機(jī)器的一只夾子抓住壓接產(chǎn)品，另一只夾子抓住導(dǎo)體。夾子以25～50 mm/min的恒定速度移動。壓接的機(jī)械性能在壓接導(dǎo)體中心部分和壓接產(chǎn)品的柱子之間應(yīng)該需要一個分開的力，120 mm2電纜的最小值為5 200 N[10]。試驗測試如圖6所示，拉脫力為13 579 N，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 拉脫力試驗

3.3 運(yùn)營驗證

通過試驗證明，采用新的編織絞線滿足線纜拉脫力的試驗要求。采用相對柔軟的電纜代替普通電纜做構(gòu)架接地線。為減少車輛運(yùn)行過程中震動對電纜端部的損傷，在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架一端增加固定點，減少線纜與端子連接處的磨損。接地線兩端壓接處的應(yīng)力集中問題均得到了改善。改進(jìn)后接地線安裝狀態(tài)如圖7所示。目前，改進(jìn)后的接地線已裝車運(yùn)行3年，未發(fā)生類似故障現(xiàn)象。

圖7 改進(jìn)后接地線

4 結(jié)束語

本文通過對列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架接地線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，驗證了軟銅絞線應(yīng)用在列車轉(zhuǎn)向架接地上的可行性。同時通過試驗證明，軟銅絞線與接線端子的匹配完全滿足鐵路電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架接地線改進(jìn)手段主要包含以下幾個方面：

（1）保證電纜電氣性能的基礎(chǔ)上盡量增加電纜柔韌度，從而減小界限端子受力；

（2）去除接線端子與電纜連接處連接間隙，減少電纜壓接處應(yīng)力集中現(xiàn)象；

（3）采用其他固定方式在電纜壓接處附近增加電纜固定裝置，從而改善電纜的震動和相對運(yùn)動對耐久度的影響。

實踐證明，接地線的以上改進(jìn)方式是易于實施并有效的，可以徹底解決接地線的疲勞斷裂現(xiàn)象，對今后在類似結(jié)構(gòu)接地線設(shè)計中有一定借鑒使用。