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【摘要】广州市地铁五号线开通运行半年后，车辆轴端接地装置开始出现故障，且故障率较高,其相关连接零部件均出现疲劳断裂。为此分析了五号线车辆轴端接地装置发生故障的原因,提出了相应的改进措施。
【关键词】地铁车辆接地装置振动断裂
中图分类号：U231文獻标识码： A
随着轨道交通行业的快速发展，对地铁车辆电气接地系统的可靠性要求日益提高。地铁车辆是集高压、变频、网络通信于一体的系统设备，内部采用变频变压逆变器（VVVF）调速、异步电动机驱动的交流传动系统和静止逆变器(SIV)等附带大量谐波的大功率设备，采用微机对牵引、制动系统进行实时的控制及诊断，并且安装有车载信号、无线通信和乘客信息等系统。为使车上的各种电气设备都能正常工作，互不干扰，保护乘客的身心健康，向乘客提供优质服务，必须将地铁车辆上的电气、电子设备进行接地。如何有效接地并实现车体接地线与接地电阻的设备化，选用适合线路条件、自身故障率低的轴端接地装置尤为重要。下面以广州地铁五号线车辆轴端接地装置为例，深入分析其故障原因，并提出改进措施。
一、概述
广州地铁五号线呈东西走向，线路全长约41km,共24个车站，且线路转弯路段多，其中杨箕-动物园区间最小转弯半径为206m。
五号线车辆车轴刚度较小、一阶弯曲振动频率较低，易被激振产生弯曲颤振，导致车轮逐渐磨耗出现九边形，进而轮轨间产生强烈冲击振动，造成多个线路区段轨道波磨，车轮圆跳动发展迅速。
二、接地装置故障情况
广州地铁五号线每列车配备12个GERKEN接地装置，即每个转向架配备1个。五号线运营6个月后，GERKEN接地装置开始出现故障，其主要表现为止动臂螺栓断裂、止动臂松动、接地电缆断裂、整件温升过高、恒压卷簧及碳刷刷辫断裂、碳刷刷块崩缺、轴承卡死等现象，且故障率居转向架各类部件之首，上升趋势明显，严重威胁该线运营安全；为提高上线车辆完好率，广州地铁考虑通过换型改造改善上述问题，曾选取五号线两列接地装置故障率较高车辆，试装了STEMMAN AB460型接地装置（以下简称“AB460型”）。经过近6个月的跟踪对比，AB460型接地装置稳定性明显优于GERKEN接地装置，其故障率降低约50%。然而随着车辆运营里程增长，轮轨关系进一步恶化，AB460型接地装置故障率有所攀升，仅2个月就接连发生3起整件温升过高、2起止动臂断裂以及多起刷辫断裂现象。
图1 GERKEN接地装置整件脱落 图2 GERKEN接地装置支架融损
图3 STEMMAN AB460接地装置刷辫断裂
三、故障原因分析
在线路条件一定，轮轨关系短期内难以得到根本改善的条件下，从接地装置自身设计及结构入手，寻找解决上述问题的最近“突破口”。因此，对两种接地装置拆解分析如下：
（一）GERKEN接地装置
GERKEN接地装置由外罩盖、碳刷支架、带刷辫的接地碳刷、摩擦环、轴承及轴端法兰盘等部件组成，其自身设计存在如下缺陷：
1.采用单轴承结构，且为深沟球轴承，轴承内部相对自由度较大。车辆运行时，轴承内部所存间隙会进一步放大轴端的振动水平，对紧固件、连接件及内部结构产生较大冲击，这也正是紧固件、连接止动臂、接地电缆出现松动、断裂，甚至造成整件脱落的主要原因。
2.碳刷依靠固定于外罩盖的恒压卷簧通过碳刷支架紧抵于摩擦环径向外侧面。受流时，电流通过接地电缆流向碳刷支架，再由接地碳刷流入轮对。GERKEN接地装置无排碳粉出口，内部碳刷与摩擦环摩擦产生碳粉无法及时排出，加之轴端剧烈振动的影响，碳刷与摩擦盘易接触不良，电阻增大，产生大量热，导致整件温升过高，甚至烧损。
（二）AB460型接地装置
基本结构与前者类似，内部采用双列滚子轴承结构，增强轴端稳定性，且设有排碳粉口，减少碳粉堆积对导电性能的影响，初步降低了五号线轴端接地装置故障率。但从长期使用来看，仍无法适应广州五号线长时间运营，其主要原因如下：
1.仍安装于振动相对较大的轴端，加之选用双列滚子轴承致使整件质量增大，轴端振动情况改善不及预想，设计上的细微改进可短期“治标”，难长期“治本”。
2.对线路条件的判断不足，其部件的设计强度难以承受长期的振动冲击。
四、改进措施
（一）根本改进措施
1.在成本控制允许条件下，考虑将接地装置改为径向型内置式轴箱安装，消除轮对弯曲振动和轴承间隙导致的振动放大作用，同时即取消了止动臂结构，减少故障点，也杜绝接地装置脱落造成的重大安全隐患。或在接地装置维持轴端安装方式的条件下，考虑将碳刷支架直接安装在轴箱体上，摩擦环套装在车轴轴端，降低其自由度，控制振动放大水平。
2.在合理控制车重的前提下，考虑适当加粗车轴轴身直径，增加车轴弯曲刚度，增强车轴抗变形能力，提高一阶弯曲模态，改善车轮的九边形磨耗。
（二）控制改善措施
1.及时镟修车轮以及打磨轨道，控制车轮径向圆跳动并保证轨道状态良好，降低列车运行时的轴端振动水平。
2.定期检查并排除接地装置内部碳刷与摩擦环摩擦产生的碳粉，避免碳粉堆积造成接触不良。
3.如个别车辆出现接地装置烧损现象，建议批量使用测温标签（温度贴）检测接地装置温升情况，如温升超过60℃，建议更换新件。
参考文献：
[1] 张安哥，朱成久，陈梦成.疲劳，断裂与损伤[M].成都：西南交通大学出版社，2006.
[2] 王国安，孟显利，甘建琨.工程机械结构件失效分析研究及应用
[3] 夏禾.交通环境振动工程[M].科学出版社，2010
[4] 赵联春.球轴承振动的研究
【关键词】地铁车辆接地装置振动断裂
中图分类号：U231文獻标识码： A
随着轨道交通行业的快速发展，对地铁车辆电气接地系统的可靠性要求日益提高。地铁车辆是集高压、变频、网络通信于一体的系统设备，内部采用变频变压逆变器（VVVF）调速、异步电动机驱动的交流传动系统和静止逆变器(SIV)等附带大量谐波的大功率设备，采用微机对牵引、制动系统进行实时的控制及诊断，并且安装有车载信号、无线通信和乘客信息等系统。为使车上的各种电气设备都能正常工作，互不干扰，保护乘客的身心健康，向乘客提供优质服务，必须将地铁车辆上的电气、电子设备进行接地。如何有效接地并实现车体接地线与接地电阻的设备化，选用适合线路条件、自身故障率低的轴端接地装置尤为重要。下面以广州地铁五号线车辆轴端接地装置为例，深入分析其故障原因，并提出改进措施。
一、概述
广州地铁五号线呈东西走向，线路全长约41km,共24个车站，且线路转弯路段多，其中杨箕-动物园区间最小转弯半径为206m。
五号线车辆车轴刚度较小、一阶弯曲振动频率较低，易被激振产生弯曲颤振，导致车轮逐渐磨耗出现九边形，进而轮轨间产生强烈冲击振动，造成多个线路区段轨道波磨，车轮圆跳动发展迅速。
二、接地装置故障情况
广州地铁五号线每列车配备12个GERKEN接地装置，即每个转向架配备1个。五号线运营6个月后，GERKEN接地装置开始出现故障，其主要表现为止动臂螺栓断裂、止动臂松动、接地电缆断裂、整件温升过高、恒压卷簧及碳刷刷辫断裂、碳刷刷块崩缺、轴承卡死等现象，且故障率居转向架各类部件之首，上升趋势明显，严重威胁该线运营安全；为提高上线车辆完好率，广州地铁考虑通过换型改造改善上述问题，曾选取五号线两列接地装置故障率较高车辆，试装了STEMMAN AB460型接地装置（以下简称“AB460型”）。经过近6个月的跟踪对比，AB460型接地装置稳定性明显优于GERKEN接地装置，其故障率降低约50%。然而随着车辆运营里程增长，轮轨关系进一步恶化，AB460型接地装置故障率有所攀升，仅2个月就接连发生3起整件温升过高、2起止动臂断裂以及多起刷辫断裂现象。
图1 GERKEN接地装置整件脱落 图2 GERKEN接地装置支架融损
图3 STEMMAN AB460接地装置刷辫断裂
三、故障原因分析
在线路条件一定，轮轨关系短期内难以得到根本改善的条件下，从接地装置自身设计及结构入手，寻找解决上述问题的最近“突破口”。因此，对两种接地装置拆解分析如下：
（一）GERKEN接地装置
GERKEN接地装置由外罩盖、碳刷支架、带刷辫的接地碳刷、摩擦环、轴承及轴端法兰盘等部件组成，其自身设计存在如下缺陷：
1.采用单轴承结构，且为深沟球轴承，轴承内部相对自由度较大。车辆运行时，轴承内部所存间隙会进一步放大轴端的振动水平，对紧固件、连接件及内部结构产生较大冲击，这也正是紧固件、连接止动臂、接地电缆出现松动、断裂，甚至造成整件脱落的主要原因。
2.碳刷依靠固定于外罩盖的恒压卷簧通过碳刷支架紧抵于摩擦环径向外侧面。受流时，电流通过接地电缆流向碳刷支架，再由接地碳刷流入轮对。GERKEN接地装置无排碳粉出口，内部碳刷与摩擦环摩擦产生碳粉无法及时排出，加之轴端剧烈振动的影响，碳刷与摩擦盘易接触不良，电阻增大，产生大量热，导致整件温升过高，甚至烧损。
（二）AB460型接地装置
基本结构与前者类似，内部采用双列滚子轴承结构，增强轴端稳定性，且设有排碳粉口，减少碳粉堆积对导电性能的影响，初步降低了五号线轴端接地装置故障率。但从长期使用来看，仍无法适应广州五号线长时间运营，其主要原因如下：
1.仍安装于振动相对较大的轴端，加之选用双列滚子轴承致使整件质量增大，轴端振动情况改善不及预想，设计上的细微改进可短期“治标”，难长期“治本”。
2.对线路条件的判断不足，其部件的设计强度难以承受长期的振动冲击。
四、改进措施
（一）根本改进措施
1.在成本控制允许条件下，考虑将接地装置改为径向型内置式轴箱安装，消除轮对弯曲振动和轴承间隙导致的振动放大作用，同时即取消了止动臂结构，减少故障点，也杜绝接地装置脱落造成的重大安全隐患。或在接地装置维持轴端安装方式的条件下，考虑将碳刷支架直接安装在轴箱体上，摩擦环套装在车轴轴端，降低其自由度，控制振动放大水平。
2.在合理控制车重的前提下，考虑适当加粗车轴轴身直径，增加车轴弯曲刚度，增强车轴抗变形能力，提高一阶弯曲模态，改善车轮的九边形磨耗。
（二）控制改善措施
1.及时镟修车轮以及打磨轨道，控制车轮径向圆跳动并保证轨道状态良好，降低列车运行时的轴端振动水平。
2.定期检查并排除接地装置内部碳刷与摩擦环摩擦产生的碳粉，避免碳粉堆积造成接触不良。
3.如个别车辆出现接地装置烧损现象，建议批量使用测温标签（温度贴）检测接地装置温升情况，如温升超过60℃，建议更换新件。
参考文献：
[1] 张安哥，朱成久，陈梦成.疲劳，断裂与损伤[M].成都：西南交通大学出版社，2006.
[2] 王国安，孟显利，甘建琨.工程机械结构件失效分析研究及应用
[3] 夏禾.交通环境振动工程[M].科学出版社，2010
[4] 赵联春.球轴承振动的研究