7.广州地铁4号线车辆轴端接地装置 故障分析及改进
邱国富，郑根祥，袁杰
（广州地铁集团有限公司，广东广州 510000）
摘要：广州地铁4号线自运营以来，直线电机车辆轴端接地装置松动、安装螺栓断裂和接地碳刷崩裂等故 障严重影响运营安 全。针对广州地铁4号线直线电机车辆轴端接地故障进行分析.通过加粗车轴和将接地装置改为内置来消除接地装置的安全隐患，有效保证直线电机车辆的运营安全。
关键词：直线电机车辆；接地装置；轴端；内置
引 言
广州地铁4号线采用车辆轴端接触式接地装置,列车高压设备如牵引逆变器、辅助逆变器等通过接地装置、车轴、车轮形成接地回流，有效防止大的回流电流对轴箱轴 承的电蚀，提高车辆的安全可靠性。列车运行过程中车轴有弯曲振动，振动经轮轴传递到轴端会有一定的放大作 用，另外接地装置采用的深沟球轴承存在间隙，会使振动加剧。受轴端振动的影响，轴端接地装置易出现松动、安装螺栓断裂和接地碳刷崩裂等故障。本文针对广州地铁 4号线原有轴端接地装置故障进行原因分析和探讨。并通过现场实际应用情况验证了改进后的内置接地装置的合理性。
一.轴端接地装置结构
广州地铁4号线列车每个转向架上均安装有轴端接地装置，用于列车各系统的回流（见图1）。
图1轴端接地装置
轴端接地装置通过法兰盘安装在车轴上，依靠内置的轴承实现接地装置和轴承之间的相对回转，其主要由压盖、恒力弹簧、碳刷、
刷架、摩擦盘、法兰盘等组成。通 过接地电缆、碳刷、刷架、摩擦盘、法兰连通车辆各系统接地座与车轴，实现回流。轴端接地装置结构图如图2 所示。
四号线列车釆用直流供电系统，通过受电弓或集电靴取电，再通过接地系统形成回流接地，见图3。列车正常运行中，列车负载电流回流路径如图4所示：列车电气负载(SIV、VVVF等)—接地板母排—接地装置—轮对—轨 道-牵引变电所负极。
二．故障原因分析
自2008年以来，广州地铁4号线列车轴端接地装置先后出现了松动、安装螺栓断裂及其它并发故障。虽经过多次换型和优化设计，轴端接地装置故障率仍然居高不下。 对故障进行分析，其主要原因有以下几点。
2.1轴端接地装置自身设计缺陷
1.轴承深沟球轴承间隙过大
广州地铁4号线最早使用的STEMMAN AB480型轴端 接地装置釆用的是深沟球轴承。因为深沟球轴承滚子自由度多，长期的振动易导致接地装置铝合金壳体与法兰盘之 间间隙变大并松动。经过设计优化的STEMMAN AB480A 型和GERKEN型轴端接地装置使用双列滚子轴承，但是其绝缘环和法兰强度不足，导致出现了绝缘环裂损、接地装置进水等故障。
2.接地装置刷辫无防护
轴端接地装置每个碳刷有两根刷辫.并用透明套管对刷辫进行防护。然而，接地装置压盖紧固后与刷辫存在一定的相抗，长期的振动使得刷辫套管破损甚至刷辫断裂, 刷辫断裂后接地装置无法进行正常回流。一旦轴端接地装置无法正常回流，列车工作电流则会经过制动闸片和制动盘对地回流，从而导致部分制动闸片、制动盘烧蚀。
2.2轴端振动较大
车辆运行时，由于轮对踏面及钢轨的不平顺会造成轮轨间有冲击或振动，激发车轴的一阶弯曲振动，一阶弯曲振动经传递到车底悬挂部件、轴端等部件后会有相应的放大作用。另外接地装置自身采用的深沟球轴承存在间隙， 进一步放大了振动水平。而BM3000-LIM型转向架轴装制动盘位于车轮外侧，轮对两端质量使轮对具有类似“扁 担”的效应，增加了轮对弯曲变形，加剧轴端振动。另轮对长期受一阶弯曲变形作用，容易产生多边形磨耗，而多边形车轮反过来会使轮轨间振动冲击变大。
三.接地装置改进方案
轴端接地装置换型为内置式轴箱安装的径向型接地装置，以消除轮对弯曲振动和轴承间隙导致的振动放大作 用，从根本上解决L1型车接地装置松脱的问题。
3.1车轴加粗
为了解决4号线车辆一阶弯曲变形过大，通过对4号线车辆一系列试验调査，包括4号线直线电机车辆振动试 验(电机吊杆更换前后)和4号线切除电机试验(1节车 分别切除1个电机和拆除1个电机)，对转向架各个主要 部件再次进行仿真计算，得出轴端一阶弯曲振动过大的主要原因是：轮对的1阶弯曲频率和直线电机的回弹频率之间的谐振造成轮轨间的垂向和横向力的周期性的变化。为避免轮对和电机之间的谐振，通过计算车轴各个部位变化对弯曲频率的影响，最终确定将轮对的弯曲频率由91.5 Hz提高到103 Hz,车轴中间部分直径从136 mm增加到 155 mm,以及直线电机两边的车轴处直径从136 mm增加 到 168 mm,如图8所示。
车轴由136 mm加粗到155 mm后，其弯曲刚度增大并且抗变形能力也得到了提高，提高一阶弯曲模态，改善车轮的多边形磨耗。但直线电机最大调整高度因此将受到限 制，因此，车轮全磨耗直径由650 mm提高到660 mm,单边磨耗余量由40 mm减小到35 mm。
3.2内置式接地装置
釆用与内置轴箱一体的内置接地装置。因内置接地装置无轴承，摩擦铜环过盈安装在车轴上，有效的减少振动和冲击的影响，避免了断裂、松动等问题。另内置接地装置具有结构简单、体积小、重量轻、维护量小，可见图 9、图10。
以上改进措施，预期能有利于解决轴端接地装置受到剧烈振动而产生故障的问题。
四.结束语
通过以上分析，对广州地铁4号线列车车轴进行增大轴径以减小弯曲变形，并将轴端接地装置改为内置式接地装置可从源头上消除故障隐患。首列完成改造的003004 车，改造完成至今已运营80万公里，未发生内置接地装 置松脱或安装螺栓断裂的情况，另内置接地装置碳刷粉碎、接地线缆断裂等故障率为0,可见改造效果显著。
参考文献：
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第一作者简介：邱国富，男，1989年生，广东茂名人，大 学本科，助理工程师。研究领域：轨道交通机车车辆
