重慶地鐵6號線列車拖車接地軸端軸箱溫度異常升高故障的分析
2024-04-10
何曉玲 徐放 黃濤
【重慶軌道交通（集團）有限公司】
關鍵詞：接地軸端；炭刷；溫升；異常磨耗；接地回流
轉向架輪對軸箱裝置不僅起到固定軸端的作用，而且還通過一系減振彈簧連接著轉向架和輪對，是轉向架上非常重要的部件之一。軸箱通過軸承內圈與車軸進行連接，軸承外圈固定在軸箱體內，軸承內圈通過過盈配合固定在車軸上，滾柱跟隨車軸的轉動而轉動。軸承滾柱通過潤滑脂保持良好的運行狀態，一旦潤滑脂因外部因素被污染，潤滑性能下降，將會導致熱軸故障，嚴重影響行車安全。
1 轉向架軸端組成、作用和接地軸端故障情況
重慶地鐵6號線列車采用B型車結構，轉向架軸端組成包括4種結構，分別為防滑軸端、接地軸端、普通軸端和ATP測速軸端。其中，接地軸端對當前單節車起到接地回流的作用。
接地軸端的結構主要包括軸端蓋、接地盤、炭刷、摩擦盤、軸端壓板等，接地軸端內部含有3塊炭刷，通過炭刷與摩擦盤的接觸將電流引入輪對，將接地電流引入軌道。
2018年10月重慶地鐵6號線在日常檢修過程中發現06003編組列車6車3位軸箱溫度異常升高，用紅外線測溫槍測量軸箱上表面溫度達到1159, 其他軸箱均為129-149。經對故障軸端分解檢查，故障情況如下。
(1) 檢查發現端蓋內部有大量炭粉，且已有部分結塊,正常應為干燥粉末狀。軸承外側一圈粘結了大量泥狀炭粉且已干結。如圖1所示。
(2) 炭刷接線全部破損斷裂，炭刷異常過度磨耗，已變形為不正常狀態，且個別已經碎裂。接地摩擦盤狀態正常。
(3) 拆解檢查發現軸箱內側和軸承外圈已完全結合到一起，已無法使用常規手段退出軸承外圈，軸承內圈表面已呈黑色，滾子和保持架之間的潤滑脂已全部被燒黑變成硬塊(如圖2)。
針對06003編組6車3位故障，更換了輪對、軸箱、接地裝置。
2018年12月06003編組列車6車6位軸箱溫度異常升高，達到659，分解檢查故障情況同06003編組6車3位。
2019年1月到6月對該項目所有列車進行了整體排查，檢查發現2起軸箱溫度異常升高故障，分別為06001編組1車3位06020編組6車3位，故障位置同樣均為拖車接地軸端，故障仍為同一現象。
2019年6月15日檢查06003編組6車3位經處理后故障是否已得到有效解決，再次打開端蓋檢查，發現炭刷仍存在異常磨耗，且軸承側已經附著了大量炭粉(如圖3所示)。距離故障處理間隔時間僅為6個月，運行公里數63509km。
2 軸箱溫度升高原因分析
對接地軸箱分解檢查，軸箱軸承內部的潤滑脂已嚴重變性，潤滑脂內可見大量金屬異物。將失效的潤滑脂分不同點位進行取樣，分別取軸承中央側，A列內圈，A列密封蓋6列內圈6列密封蓋處，如圖對以上5個部位分別進行成分檢測，經檢查發現，該5個位置潤滑脂內均可見大量金屬異物，金屬異物多為純銅、碳素鋼等，其中，潤滑脂銅粉含量嚴重超標，鐵粉含量未見異常(檢查成分參見表1)。
根據上述檢測結果，軸承潤滑脂失效的原因為“潤滑脂內銅粉含量超標”；因潤滑脂內含有大量銅粉引起軸承潤滑脂溫度升高，溫度的升高及銅粉的不斷增加加速潤滑脂失效，造成熱軸。
接地軸箱部位含有銅元素的部件有“接地炭刷”及 “接地摩擦盤”，經檢查，接地摩擦盤并未磨耗過限，但接地炭刷存在嚴重的異常磨耗現象。
(1)炭粉進入軸承內部原因分析
接地軸端內炭粉的正常堆積狀態如圖5紅色部分所示，摩擦盤安裝在軸端壓板上，接地裝置體安裝在前蓋側，前蓋與壓板間有迷宮密封，炭粉堆積量在前蓋側，正常情況下可以防止炭粉進入軸承，但是，若炭粉在前蓋側堆積量過多則可以通過“迷宮結構”到達軸承。
(2)接地炭刷磨耗
故障位置接地炭刷均存在嚴重的異常磨耗，且存在偏磨現象,故障接地炭刷的尺寸為43.8mm，比新品炭刷短9.2mm；根據接地炭刷設計文件及其余車輛的實際使用情況，接地炭刷12-13萬km磨耗量約為2-3mm,但故障車輛在更換新品炭刷后僅運營42336km。
同時，接地炭刷異常磨耗的現象僅出現在拖車，溫升異常的接地軸端也僅發生在拖車。
綜上所述，拖車因接地炭刷異常磨耗產生大量炭粉堆集在軸箱前蓋側，堆集的大量炭粉通過軸箱“迷宮結構”到達軸承，從而污染軸承油脂使軸箱溫度升高，溫度的升高及不斷滲入炭粉再次加速軸承油脂的失效。
3 接地炭刷異常磨耗分析
炭刷磨耗主要分為機械磨耗和電磨耗。
機械磨耗和炭刷安裝工藝、刷架尺寸、炭刷材質、摩擦盤材質、機械振動等相關，針對各項分析如下：
(1)軸溫異常位置的安裝工藝、刷架尺寸進行了仔細分析，尺寸和安裝均?合標準要求。
(2)炭刷材質、摩擦盤材質經分析均符合標準要求，且同一批次大量的接地炭刷及摩擦盤安裝于同一列車，僅拖車出現接地炭刷異常磨耗。
(3)拖車車輛存在振動可能性電磨耗和整車接地回流方式、電流大小等有關。針對電流大小的問題，對拖車接地回流進行理論計算與實際測量，結果如下：
拖車理論工作接地電流:210kVA/1.5kV=140A,拖車有2個接地軸端，平均分配到一個拖車接地軸端的電流為70A。
空載狀態下，拖車實測電流數據如表2。
根據實測電流，可得出如下結論：
(1)拖車的實測電流比理論計算電流大(6車實測總電流170A,較計算總電流值多出30A；1車實測總電流250A,較計算總電流值多出110A)。
(2)拖車電流回流存在不均的現象。根據上述結論，對重慶地鐵6號線接地回流電路進行分析。
4 車輛接地回路分析
地鐵車輛接地回路按照布置分為功能回流接地和安全接地#功能回流接地是高壓電源負端的回流，通過接地回流裝置與列車軌道相連，高壓電源的負端首先通過導線與車體絕緣的匯流排相連，然后通過導線與轉向架上接地回流裝置相連，經軌道臨末回到變電站高壓負端#接地系統特性要求，回流的功能接地與保護接地應分開，高壓電路與低壓電路接地應分開，即在工作接地與保護接地中間設置一個接地電阻，可以避免雜散電流通過動車流向其他車。
重慶地鐵6號線車輛接地回流電路如圖6所示，拖車(TC)和動車(MP、M)設備功能接地回路分別經過本車接地匯流排，再接入接地軸端，而車體安全接地同樣匯集在本車接地匯流排，且本車功能接地和安全接地之間未設置接地電阻#拖車每個轉向架只有1個接地軸端，正常情況下，拖車的2個接地軸端回流裝置只給輔助電源裝置回流#而動車每個轉向架有2個接地軸端，即動車的4個接地軸端回流裝置只給當前動車的牽引系統回流#車體之間通過2根95mm2跨接電纜連通，所以拖車增加的電流來自動車。
若拖車一個軸端的3個炭刷接線全部斷裂，則另一個接地軸端內部的3個炭刷將會承受所有的電流。尤其在AW3載荷下，電流更大，大電流又會反作用于炭刷，拖車炭刷長期承受大電流，又會加速炭刷的磨耗，形成惡性循環。
5 接地回流電路整改的探索
重慶地鐵6號線其他項目列車均為動車回流方式，且接地軸端炭刷及軸箱結構各部件均屬相同產品，一直以來運營良好，從未發生類似問題#具體方法為將拖車接地電流引入相鄰動車進行回流，拖車不設置接地軸端，現對該故障批次列車拖車接地回流方式進行探索性試改,來驗證其是否會減少電磨耗，且該方案也可消除因拖車振動較大導致炭刷機械磨耗較嚴重的可能性。從而根本解決炭刷異常磨耗，解決熱軸問題。
具體整改方案如下：
(1)取消原拖車接地匯流排到拖車軸端接地線，將拖車的工作接地引至相鄰的動車匯流排接地回流。
(2)將車體的安全回流電路與工作接地電路完全隔開。
6 整改驗證
選取06020編組進行首列車試改，對MP車整改后的接地電流進行運行測試,電流數據符合車輛設計要求#經過近1個月的運行驗證，拖車接地炭刷在只有機械磨耗的情況下，未出現異常磨耗情況，MP車接地炭刷未出現異常磨耗。
7 結束語
軸箱軸承及軸端裝置等各部件的正常工作對保障整個列車安全運行有著非常重要的意義，而列車電路合理且正確的設計對全車各部件的正常工作又有著長期且深遠的影響#所以對于軸箱高溫故障這類運營問題，不能單純從機械角度進行分析處理，而要綜合考慮，多方分析驗證。本文詳細論述了接地軸端高溫故障的分析過程、分析方法,從機械、電氣角度分別進行分析，并模擬正常運行模式進行接地電流檢測，發現接地電流異常，再結合車輛電路設計圖紙，對比其他項目列車的正常運營情況，進行探索性試整改，并對整改結果進行驗證跟蹤，整改效果良好，從根本上解決了接地軸端的高溫故障。
來源：《鐵道機車車輛》
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