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(tuán)）有限公司】
關(guān)鍵詞：接地軸端；炭刷；溫升；異常磨耗；接地回流
轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架和輪對，是轉(zhuǎn)向架上非常重要的部件之一。軸箱通過軸承內(nèi)圈與車軸進(jìn)行連接，軸承外圈固定在軸箱體內(nèi)，軸承內(nèi)圈通過過盈配合固定在車軸上，滾柱跟隨車軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。軸承滾柱通過潤滑脂保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，一旦潤滑脂因外部因素被污染，潤滑性能下降，將會(huì)導(dǎo)致熱軸故障，嚴(yán)重影響行車安全。
1 轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向架軸端組成包括4種結(jié)構(gòu)，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(dāng)前單節(jié)車起到接地回流的作用。
接地軸端的結(jié)構(gòu)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(nèi)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(fā)現(xiàn)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(dá)到1159, 其他軸箱均為129-149。經(jīng)對故障軸端分解檢查，故障情況如下。
(1) 檢查發(fā)現(xiàn)端蓋內(nèi)部有大量炭粉，且已有部分結(jié)塊,正常應(yīng)為干燥粉末狀。軸承外側(cè)一圈粘結(jié)了大量泥狀炭粉且已干結(jié)。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(tài)，且個(gè)別已經(jīng)碎裂。接地摩擦盤狀態(tài)正常。
(3) 拆解檢查發(fā)現(xiàn)軸箱內(nèi)側(cè)和軸承外圈已完全結(jié)合到一起，已無法使用常規(guī)手段退出軸承外圈，軸承內(nèi)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(dá)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(xiàng)目所有列車進(jìn)行了整體排查，檢查發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象。
2019年6月15日檢查06003編組6車3位經(jīng)處理后故障是否已得到有效解決，再次打開端蓋檢查，發(fā)現(xiàn)炭刷仍存在異常磨耗，且軸承側(cè)已經(jīng)附著了大量炭粉(如圖3所示)。距離故障處理間隔時(shí)間僅為6個(gè)月，運(yùn)行公里數(shù)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(nèi)部的潤滑脂已嚴(yán)重變性，潤滑脂內(nèi)可見大量金屬異物。將失效的潤滑脂分不同點(diǎn)位進(jìn)行取樣，分別取軸承中央側(cè)，A列內(nèi)圈，A列密封蓋6列內(nèi)圈6列密封蓋處，如圖對以上5個(gè)部位分別進(jìn)行成分檢測，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，該5個(gè)位置潤滑脂內(nèi)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(yán)重超標(biāo)，鐵粉含量未見異常(檢查成分參見表1)。
根據(jù)上述檢測結(jié)果，軸承潤滑脂失效的原因?yàn)?ldquo;潤滑脂內(nèi)銅粉含量超標(biāo)”；因潤滑脂內(nèi)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(jīng)檢查，接地摩擦盤并未磨耗過限，但接地炭刷存在嚴(yán)重的異常磨耗現(xiàn)象。
(1)炭粉進(jìn)入軸承內(nèi)部原因分析
接地軸端內(nèi)炭粉的正常堆積狀態(tài)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(cè)，前蓋與壓板間有迷宮密封，炭粉堆積量在前蓋側(cè)，正常情況下可以防止炭粉進(jìn)入軸承，但是，若炭粉在前蓋側(cè)堆積量過多則可以通過“迷宮結(jié)構(gòu)”到達(dá)軸承。
(2)接地炭刷磨耗
故障位置接地炭刷均存在嚴(yán)重的異常磨耗，且存在偏磨現(xiàn)象,故障接地炭刷的尺寸為43.8mm，比新品炭刷短9.2mm；根據(jù)接地炭刷設(shè)計(jì)文件及其余車輛的實(shí)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(yùn)營42336km。
同時(shí)，接地炭刷異常磨耗的現(xiàn)象僅出現(xiàn)在拖車，溫升異常的接地軸端也僅發(fā)生在拖車。
綜上所述，拖車因接地炭刷異常磨耗產(chǎn)生大量炭粉堆集在軸箱前蓋側(cè)，堆集的大量炭粉通過軸箱“迷宮結(jié)構(gòu)”到達(dá)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(jī)械磨耗和電磨耗。
機(jī)械磨耗和炭刷安裝工藝、刷架尺寸、炭刷材質(zhì)、摩擦盤材質(zhì)、機(jī)械振動(dòng)等相關(guān)，針對各項(xiàng)分析如下：
(1)軸溫異常位置的安裝工藝、刷架尺寸進(jìn)行了仔細(xì)分析，尺寸和安裝均?合標(biāo)準(zhǔn)要求。
(2)炭刷材質(zhì)、摩擦盤材質(zhì)經(jīng)分析均符合標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)接地炭刷異常磨耗。
(3)拖車車輛存在振動(dòng)可能性電磨耗和整車接地回流方式、電流大小等有關(guān)。針對電流大小的問題，對拖車接地回流進(jìn)行理論計(jì)算與實(shí)際測量，結(jié)果如下：
拖車?yán)碚摴ぷ鹘拥仉娏?210kVA/1.5kV=140A,拖車有2個(gè)接地軸端，平均分配到一個(gè)拖車接地軸端的電流為70A。
空載狀態(tài)下，拖車實(shí)測電流數(shù)據(jù)如表2。
根據(jù)實(shí)測電流，可得出如下結(jié)論：
(1)拖車的實(shí)測電流比理論計(jì)算電流大(6車實(shí)測總電流170A,較計(jì)算總電流值多出30A；1車實(shí)測總電流250A,較計(jì)算總電流值多出110A)。
(2)拖車電流回流存在不均的現(xiàn)象。根據(jù)上述結(jié)論，對重慶地鐵6號線接地回流電路進(jìn)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(fù)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(fù)端首先通過導(dǎo)線與車體絕緣的匯流排相連，然后通過導(dǎo)線與轉(zhuǎn)向架上接地回流裝置相連，經(jīng)軌道臨末回到變電站高壓負(fù)端#接地系統(tǒng)特性要求，回流的功能接地與保護(hù)接地應(yīng)分開，高壓電路與低壓電路接地應(yīng)分開，即在工作接地與保護(hù)接地中間設(shè)置一個(gè)接地電阻，可以避免雜散電流通過動(dòng)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(dòng)車(MP、M)設(shè)備功能接地回路分別經(jīng)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(shè)置接地電阻#拖車每個(gè)轉(zhuǎn)向架只有1個(gè)接地軸端，正常情況下，拖車的2個(gè)接地軸端回流裝置只給輔助電源裝置回流#而動(dòng)車每個(gè)轉(zhuǎn)向架有2個(gè)接地軸端，即動(dòng)車的4個(gè)接地軸端回流裝置只給當(dāng)前動(dòng)車的牽引系統(tǒng)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(dòng)車。
若拖車一個(gè)軸端的3個(gè)炭刷接線全部斷裂，則另一個(gè)接地軸端內(nèi)部的3個(gè)炭刷將會(huì)承受所有的電流。尤其在AW3載荷下，電流更大，大電流又會(huì)反作用于炭刷，拖車炭刷長期承受大電流，又會(huì)加速炭刷的磨耗，形成惡性循環(huán)。
5 接地回流電路整改的探索
重慶地鐵6號線其他項(xiàng)目列車均為動(dòng)車回流方式，且接地軸端炭刷及軸箱結(jié)構(gòu)各部件均屬相同產(chǎn)品，一直以來運(yùn)營良好，從未發(fā)生類似問題#具體方法為將拖車接地電流引入相鄰動(dòng)車進(jìn)行回流，拖車不設(shè)置接地軸端，現(xiàn)對該故障批次列車拖車接地回流方式進(jìn)行探索性試改,來驗(yàn)證其是否會(huì)減少電磨耗，且該方案也可消除因拖車振動(dòng)較大導(dǎo)致炭刷機(jī)械磨耗較嚴(yán)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(dòng)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(yàn)證
選取06020編組進(jìn)行首列車試改，對MP車整改后的接地電流進(jìn)行運(yùn)行測試,電流數(shù)據(jù)符合車輛設(shè)計(jì)要求#經(jīng)過近1個(gè)月的運(yùn)行驗(yàn)證，拖車接地炭刷在只有機(jī)械磨耗的情況下，未出現(xiàn)異常磨耗情況，MP車接地炭刷未出現(xiàn)異常磨耗。
7 結(jié)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(gè)列車安全運(yùn)行有著非常重要的意義，而列車電路合理且正確的設(shè)計(jì)對全車各部件的正常工作又有著長期且深遠(yuǎn)的影響#所以對于軸箱高溫故障這類運(yùn)營問題，不能單純從機(jī)械角度進(jìn)行分析處理，而要綜合考慮，多方分析驗(yàn)證。本文詳細(xì)論述了接地軸端高溫故障的分析過程、分析方法,從機(jī)械、電氣角度分別進(jìn)行分析，并模擬正常運(yùn)行模式進(jìn)行接地電流檢測，發(fā)現(xiàn)接地電流異常，再結(jié)合車輛電路設(shè)計(jì)圖紙，對比其他項(xiàng)目列車的正常運(yùn)營情況，進(jìn)行探索性試整改，并對整改結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)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(jī)車車輛》
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