何晓玲 徐放 黄涛
【重庆轨道交通（集团）有限公司】
关键词：接地轴端；炭刷；温升；异常磨耗；接地回流
转向架轮对轴箱装置不仅起到固定轴端的作用，而且还通过一系减振弹簧连接着转向架和轮对，是转向架上非常重要的部件之一。轴箱通过轴承内圈与车轴进行连接，轴承外圈固定在轴箱体内，轴承内圈通过过盈配合固定在车轴上，滚柱跟随车轴的转动而转动。轴承滚柱通过润滑脂保持良好的运行状态，一旦润滑脂因外部因素被污染，润滑性能下降，将会导致热轴故障，严重影响行车安全。
1 转向架轴端组成、作用和接地轴端故障情况
重庆地铁6号线列车采用B型车结构，转向架轴端组成包括4种结构，分别为防滑轴端、接地轴端、普通轴端和ATP测速轴端。其中，接地轴端对当前单节车起到接地回流的作用。
接地轴端的结构主要包括轴端盖、接地盘、炭刷、摩擦盘、轴端压板等，接地轴端内部含有3块炭刷，通过炭刷与摩擦盘的接触将电流引入轮对，最终将接地电流引入轨道。
2018年10月重庆地铁6号线在日常检修过程中发现06003编组列车6车3位轴箱温度异常升高，用红外线测温枪测量轴箱上表面温度达到1159, 其他轴箱均为129-149。经对故障轴端分解检查，故障情况如下。
(1) 检查发现端盖内部有大量炭粉，且已有部分结块,正常应为干燥粉末状。轴承外侧一圈粘结了大量泥状炭粉且已干结。如图1所示。
(2) 炭刷接线全部破损断裂，炭刷异常过度磨耗，已变形为不正常状态，且个别已经碎裂。接地摩擦盘状态正常。
(3) 拆解检查发现轴箱内侧和轴承外圈已完全结合到一起，已无法使用常规手段退出轴承外圈，轴承内圈表面已呈黑色，滚子和保持架之间的润滑脂已全部被烧黑变成硬块(如图2)。
针对06003编组6车3位故障，更换了轮对、轴箱、接地装置。
2018年12月06003编组列车6车6位轴箱温度异常升高，达到659，分解检查故障情况同06003编组6车3位。
2019年1月到6月对该项目所有列车进行了整体排查，检查发现2起轴箱温度异常升高故障，分别为06001编组1车3位06020编组6车3位，故障位置同样均为拖车接地轴端，故障仍为同一现象。
2019年6月15日检查06003编组6车3位经处理后故障是否已得到有效解决，再次打开端盖检查，发现炭刷仍存在异常磨耗，且轴承侧已经附着了大量炭粉(如图3所示)。距离故障处理间隔时间仅为6个月，运行公里数63509km。
2 轴箱温度升高原因分析
对接地轴箱分解检查，轴箱轴承内部的润滑脂已严重变性，润滑脂内可见大量金属异物。将失效的润滑脂分不同点位进行取样，分别取轴承中央侧，A列内圈，A列密封盖6列内圈6列密封盖处，如图对以上5个部位分别进行成分检测，经检查发现，该5个位置润滑脂内均可见大量金属异物，金属异物多为纯铜、碳素钢等，其中，润滑脂铜粉含量严重超标，铁粉含量未见异常(检查成分参见表1)。
根据上述检测结果，轴承润滑脂失效的原因为“润滑脂内铜粉含量超标”；因润滑脂内含有大量铜粉引起轴承润滑脂温度升高，温度的升高及铜粉的不断增加加速润滑脂失效，最终造成热轴。
接地轴箱部位含有铜元素的部件有“接地炭刷”及 “接地摩擦盘”，经检查，接地摩擦盘并未磨耗过限，但接地炭刷存在严重的异常磨耗现象。
(1)炭粉进入轴承内部原因分析
接地轴端内炭粉的正常堆积状态如图5红色部分所示，摩擦盘安装在轴端压板上，接地装置体安装在前盖侧，前盖与压板间有迷宫密封，炭粉堆积量在前盖侧，正常情况下可以防止炭粉进入轴承，但是，若炭粉在前盖侧堆积量过多则可以通过“迷宫结构”到达轴承。
(2)接地炭刷磨耗
故障位置接地炭刷均存在严重的异常磨耗，且存在偏磨现象,故障接地炭刷的尺寸为43.8mm，比新品炭刷短9.2mm；根据接地炭刷设计文件及其余车辆的实际使用情况，接地炭刷12-13万km磨耗量约为2-3mm,但故障车辆在更换新品炭刷后仅运营42336km。
同时，接地炭刷异常磨耗的现象仅出现在拖车，温升异常的接地轴端也仅发生在拖车。
综上所述，拖车因接地炭刷异常磨耗产生大量炭粉堆集在轴箱前盖侧，堆集的大量炭粉通过轴箱“迷宫结构”到达轴承，从而污染轴承油脂使轴箱温度升高，温度的升高及不断渗入炭粉再次加速轴承油脂的失效。
3 接地炭刷异常磨耗分析
炭刷磨耗主要分为机械磨耗和电磨耗。
机械磨耗和炭刷安装工艺、刷架尺寸、炭刷材质、摩擦盘材质、机械振动等相关，针对各项分析如下：
(1)轴温异常位置的安装工艺、刷架尺寸进行了仔细分析，尺寸和安装均?合标准要求。
(2)炭刷材质、摩擦盘材质经分析均符合标准要求，且同一批次大量的接地炭刷及摩擦盘安装于同一列车，仅拖车出现接地炭刷异常磨耗。
(3)拖车车辆存在振动可能性电磨耗和整车接地回流方式、电流大小等有关。针对电流大小的问题，对拖车接地回流进行理论计算与实际测量，结果如下：
拖车理论工作接地电流:210kVA/1.5kV=140A,拖车有2个接地轴端，平均分配到一个拖车接地轴端的电流为70A。
空载状态下，拖车实测电流数据如表2。
根据实测电流，可得出如下结论：
(1)拖车的实测电流比理论计算电流大(6车实测总电流170A,较计算总电流值多出30A；1车实测总电流250A,较计算总电流值多出110A)。
(2)拖车电流回流存在不均的现象。根据上述结论，对重庆地铁6号线接地回流电路进行分析。
4 车辆接地回路分析
地铁车辆接地回路按照布置分为功能回流接地和安全接地#功能回流接地是高压电源负端的回流，通过接地回流装置与列车轨道相连，高压电源的负端首先通过导线与车体绝缘的汇流排相连，然后通过导线与转向架上接地回流装置相连，经轨道最后回到变电站高压负端#接地系统特性要求，回流的功能接地与保护接地应分开，高压电路与低压电路接地应分开，即在工作接地与保护接地中间设置一个接地电阻，可以避免杂散电流通过动车流向其他车。
重庆地铁6号线车辆接地回流电路如图6所示，拖车(TC)和动车(MP、M)设备功能接地回路分别经过本车接地汇流排，再接入接地轴端，而车体安全接地同样汇集在本车接地汇流排，且本车功能接地和安全接地之间未设置接地电阻#拖车每个转向架只有1个接地轴端，正常情况下，拖车的2个接地轴端回流装置只给辅助电源装置回流#而动车每个转向架有2个接地轴端，即动车的4个接地轴端回流装置只给当前动车的牵引系统回流#车体之间通过2根95mm2跨接电缆连通，所以拖车增加的电流来自动车。
若拖车一个轴端的3个炭刷接线全部断裂，则另一个接地轴端内部的3个炭刷将会承受所有的电流。尤其在AW3载荷下，电流更大，大电流又会反作用于炭刷，拖车炭刷长期承受大电流，又会加速炭刷的磨耗，形成恶性循环。
5 接地回流电路整改的探索
重庆地铁6号线其他项目列车均为动车回流方式，且接地轴端炭刷及轴箱结构各部件均属相同产品，一直以来运营良好，从未发生类似问题#具体方法为将拖车接地电流引入相邻动车进行回流，拖车不设置接地轴端，现对该故障批次列车拖车接地回流方式进行探索性试改,来验证其是否会减少电磨耗，且该方案也可消除因拖车振动较大导致炭刷机械磨耗较严重的可能性。从而根本解决炭刷异常磨耗，最终解决热轴问题。
具体整改方案如下：
(1)取消原拖车接地汇流排到拖车轴端接地线，将拖车的工作接地引至相邻的动车汇流排接地回流。
(2)将车体的安全回流电路与工作接地电路完全隔开。
6 整改验证
选取06020编组进行首列车试改，对MP车整改后的接地电流进行运行测试,电流数据符合车辆设计要求#经过近1个月的运行验证，拖车接地炭刷在只有机械磨耗的情况下，未出现异常磨耗情况，MP车接地炭刷未出现异常磨耗。
7 结束语
轴箱轴承及轴端装置等各部件的正常工作对保障整个列车安全运行有着非常重要的意义，而列车电路合理且正确的设计对全车各部件的正常工作又有着长期且深远的影响#所以对于轴箱高温故障这类运营问题，不能单纯从机械角度进行分析处理，而要综合考虑，多方分析验证。本文详细论述了接地轴端高温故障的分析过程、分析方法,从机械、电气角度分别进行分析，并模拟正常运行模式进行接地电流检测，发现接地电流异常，再结合车辆电路设计图纸，对比其他项目列车的正常运营情况，进行探索性试整改，并对整改结果进行验证跟踪，整改效果良好，最终从根本上解决了接地轴端的高温故障。
来源：《铁道机车车辆》
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