地鐵車(chē)輛轉(zhuǎn)向架接地線機(jī)械疲勞損傷的研究

包 捷 周麗梅 白 璐

（南京中車(chē)浦鎮(zhèn)城軌車(chē)輛有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210032）

0 引言

地鐵車(chē)輛接地線作為車(chē)輛電氣系統(tǒng)的重要組成部分，其安全穩(wěn)定至關(guān)重要，但有時(shí)會(huì)由于過(guò)度疲勞而出現(xiàn)接地線斷裂等現(xiàn)象。該文針對(duì)地鐵車(chē)輛轉(zhuǎn)向架運(yùn)行工況，通過(guò)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，模擬地鐵車(chē)輛接地線（主要是針對(duì)轉(zhuǎn)向架等存在較大位移的位置）的疲勞進(jìn)行試驗(yàn)，觀察接地線的損傷情況及接地電阻電氣性能。地鐵車(chē)輛接地線的疲勞損傷是涉及結(jié)構(gòu)、材料、強(qiáng)度、動(dòng)力學(xué)、制造裝備工藝以及車(chē)輛行駛條件等很多因素的復(fù)雜問(wèn)題。

1 接地線機(jī)械疲勞的形式

大量的試驗(yàn)證明，機(jī)械疲勞強(qiáng)度的分散性很大，因此機(jī)械疲勞壽命分析有很多的不確定性，不確定性來(lái)源有以下幾個(gè)方面：1）結(jié)構(gòu)的疲勞壽命受很多物理量所決定，如載荷、材料性能以及幾何尺寸等，這些物理量不僅存在分散性，還和時(shí)間因素有關(guān)。2）統(tǒng)計(jì)的不確定性。對(duì)變量的分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)需要進(jìn)行樣本取樣，然而由于受到樣本容量的限制，從樣本中統(tǒng)計(jì)出的變量特征與實(shí)際都有一定的差距。3） 接地線材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的電氣性能變化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在各種機(jī)械結(jié)構(gòu)破壞中，疲勞破壞約占50%～90%。

接地線在正常工作條件下常見(jiàn)的失效形式有裂紋、斷裂、連接松動(dòng)及電氣參數(shù)失效等，該文主要通過(guò)疲勞試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證接地線的電氣性能，進(jìn)而也可判定出端子與線材的壓接情況，以及所使用壓接工具的匹配性。

2 接地線機(jī)械疲勞的影響因素

2.1 引起車(chē)輛橫向振動(dòng)的激振源

車(chē)輛沿直線軌道行駛時(shí)，車(chē)輛輪對(duì)呈現(xiàn)出復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，這是由車(chē)輪踏面具有斜度和輪軌間存在著復(fù)雜的動(dòng)力作用而引起的。因此車(chē)體和轉(zhuǎn)向架在橫向水平平面內(nèi)一面做橫擺運(yùn)動(dòng)，一面做搖頭運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行軌跡不是直線而是某一波狀曲線。這種偏離了直線的輪對(duì)運(yùn)動(dòng)就是引起車(chē)輛振動(dòng)的主要激振源，這種振動(dòng)對(duì)接地線的強(qiáng)度有重要的和決定性的影響。

2.2 線材的疲勞積累

疲勞積累是在循環(huán)載荷下，材料局部發(fā)生損傷的累積過(guò)程，即材料發(fā)生永久的局部微結(jié)構(gòu)變化的過(guò)程。當(dāng)接地線材料承受高于疲勞極限的應(yīng)力時(shí)，每個(gè)循環(huán)都使材料產(chǎn)生一定的損傷，每個(gè)循環(huán)所造成的平均損傷為1/N，這種損傷是可以積累的。主要特點(diǎn)有：1）它是在交變的循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下發(fā)生的材料損傷。2）它是一個(gè)損傷累積的過(guò)程，這種累積過(guò)程包括微裂紋的生成與擴(kuò)散、宏裂紋的形成與擴(kuò)散，這些損傷擴(kuò)展到最后就會(huì)導(dǎo)致材料的斷裂破壞。3）疲勞累積常帶有局部性，微裂紋群的發(fā)展、聚集和宏裂紋的形成并不是整個(gè)線材的各部位同時(shí)發(fā)生的，具有非均勻性與局部先發(fā)性。

2.3 變幅載荷

大多數(shù)結(jié)構(gòu)和零件都是在變幅載荷下工作的，變幅載荷下很容易產(chǎn)生疲勞積累，如轉(zhuǎn)向架接地線發(fā)生縱向震動(dòng)。由于重力的作用向下，震動(dòng)時(shí)受到的應(yīng)力要遠(yuǎn)大于向上震動(dòng)時(shí)受到的應(yīng)力，最終的疲勞失效是不同頻率和幅值的載荷所造成的損傷逐漸累積的結(jié)果。

2.4 線材的壓接工藝

線材壓接后，導(dǎo)線與端子之間有擠壓力，同時(shí)導(dǎo)線彎曲也會(huì)使銅絲之間產(chǎn)生擠壓力。擠壓應(yīng)力是接地線應(yīng)力的重要組成部分，它隨著張力、端子和內(nèi)部的夾緊力的上升而上升。

典型的多層導(dǎo)線壓接后層與層的接觸開(kāi)始是點(diǎn)與點(diǎn)的接觸，當(dāng)產(chǎn)生極高的接觸應(yīng)力時(shí)，點(diǎn)與點(diǎn)的接觸產(chǎn)生可塑變形，或損傷線材，或造成其他部位接觸不良而發(fā)生松動(dòng)，這種壓痕缺陷會(huì)隨著各種動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用逐漸發(fā)展和壯大。

3 接地線機(jī)械疲勞的模擬試驗(yàn)

由于地鐵車(chē)輛接地線工作環(huán)境非常復(fù)雜，且時(shí)時(shí)刻刻具有多變性，因此接地線疲勞可靠性試驗(yàn)的模擬環(huán)境也很難全面反映實(shí)際情況，其試驗(yàn)結(jié)果只能作為一種參考。此外，其他行業(yè)（尤其是航空及軍工）的實(shí)踐也表明，產(chǎn)品即便通過(guò)了傳統(tǒng)的可靠性疲勞試驗(yàn)的檢驗(yàn)，其本身也仍舊存在較多的潛在缺陷。因此該文采用的是可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法，簡(jiǎn)單來(lái)講就是采用比實(shí)際更惡劣的環(huán)境來(lái)驗(yàn)證其可靠性。

接地線機(jī)械疲勞可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)將增強(qiáng)幅值、加速應(yīng)力等環(huán)節(jié)引入試驗(yàn)中，通過(guò)強(qiáng)化措施快速有效地激發(fā)接地線設(shè)計(jì)和工藝方面的潛在缺陷，使其以故障的形式表現(xiàn)出來(lái)，方便后期的缺陷定位與機(jī)理分析。

機(jī)械疲勞試驗(yàn)選用了95mm2、70mm2和35mm2的不同線徑、不同長(zhǎng)度的接地線樣品，接線端子采用模壓和坑壓形式壓接，通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)針對(duì)地鐵車(chē)輛轉(zhuǎn)向架運(yùn)行工況進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。機(jī)械疲勞測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，其由2臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)大、小2面偏心盤(pán)，偏心盤(pán)偏心距離可調(diào)整，通過(guò)改變偏心距離及電機(jī)轉(zhuǎn)速、加減速時(shí)間（加速度、減速度）等參數(shù)[1]，即可模擬車(chē)輛前進(jìn)方向平面上橫向和縱向震動(dòng)的幅值和頻率、震動(dòng)加減速度及受到的機(jī)械應(yīng)力。

該文在試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行了電阻阻值測(cè)量[2]，對(duì)同一長(zhǎng)度、同一線徑的樣品則進(jìn)行不同固定角度的疲勞試驗(yàn)，如圖2所示。試驗(yàn)根據(jù)試品的實(shí)際工作位置及工作環(huán)境確定了試驗(yàn)參數(shù)，每件樣品在試驗(yàn)臺(tái)上往復(fù)測(cè)試1周以上時(shí)間，試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)人員應(yīng)實(shí)時(shí)觀測(cè)試驗(yàn)狀況，接地線保護(hù)層不應(yīng)出現(xiàn)爆裂、褶皺，壓接部位不應(yīng)出現(xiàn)明顯的斷裂及松動(dòng)。試驗(yàn)完成后仔細(xì)觀察試樣的外觀情況，尤其觀察試樣有無(wú)明顯的機(jī)械損傷，對(duì)無(wú)明顯損傷的樣品再次進(jìn)行電阻阻值的測(cè)量，進(jìn)行對(duì)比分析。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)分別對(duì)不同線徑、不同長(zhǎng)度和不同壓接安裝角度的接地線進(jìn)行了相關(guān)機(jī)械疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1記錄可看出，被測(cè)試的接地線樣品沒(méi)有一件出現(xiàn)明顯的機(jī)械疲勞損傷，而且在試驗(yàn)前、后，線材的電阻參數(shù)值并無(wú)明顯變化（考慮測(cè)量誤差等因素，試驗(yàn)前、后的電阻參數(shù)幾乎可以看作沒(méi)有變化）。可以得出由于轉(zhuǎn)向架接地線的線徑較大，因此在線材與端子壓接工藝達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求情況下，接地線并不容易產(chǎn)生機(jī)械性震動(dòng)疲勞，而且其靜態(tài)電阻特性也非常穩(wěn)定。

表1 接地線的機(jī)械疲勞模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

該次試驗(yàn)的震動(dòng)幅度及所施加應(yīng)力遠(yuǎn)超實(shí)際情況，但并未出現(xiàn)接地線斷裂或損傷情況。因此可以推斷，除了試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、短的因素外，必然還有其他更主要的影響因素沒(méi)有考慮進(jìn)去，因?yàn)榻拥鼐€故障并不是個(gè)別少數(shù)現(xiàn)象。某地鐵車(chē)輛接地線的故障圖片如圖3所示。

從圖3可看出接地線疲勞損傷故障大多出現(xiàn)在線材與壓接端子的銜接部位，而且某些故障點(diǎn)存在燒熔痕跡和磨損痕跡，說(shuō)明比起車(chē)輛行駛時(shí)的各種震動(dòng)及接地線的長(zhǎng)度、材料、固定角度等因素，對(duì)轉(zhuǎn)向架接地線造成疲勞損傷的更重要的因素為端子與線材的壓接匹配性和流過(guò)接地線的正常電流及故障電流。

4.1 接地線壓接質(zhì)量控制

端子壓接是接線端子的金屬壓線筒包住裸線導(dǎo)線，使用專(zhuān)用壓接工具對(duì)壓線筒進(jìn)行機(jī)械壓緊而產(chǎn)生的連接，以便讓金屬在規(guī)定的限度內(nèi)發(fā)生變形，將導(dǎo)線連接在接觸件上。良好的壓接連接會(huì)使金屬互溶流動(dòng)，導(dǎo)線和接觸件材料對(duì)稱(chēng)變形，進(jìn)而得到較好的機(jī)械性能和電氣性能。

影響端子壓接質(zhì)量的因素有端子、導(dǎo)線和壓接工具，壓接匹配性也是指這3個(gè)要素之間的匹配性。壓接后的導(dǎo)線截面積、機(jī)械性能、電氣性能和端子的壓接深度存在相關(guān)關(guān)系，壓接特性曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，導(dǎo)線的截面積如果過(guò)度收縮，就會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的電阻值，容易產(chǎn)生熱量；如果收縮不夠，就會(huì)產(chǎn)生壓接點(diǎn)不牢，抗拉強(qiáng)度不夠，導(dǎo)線容易從壓接茼內(nèi)脫落。因此，壓接深度所選取的設(shè)計(jì)值一般都會(huì)低于最大的抗拉強(qiáng)度點(diǎn)，這樣壓接后的電阻值較低，抗拉強(qiáng)度也大。壓接質(zhì)量控制從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

首先，導(dǎo)線、端子和壓接工具之間的匹配性。導(dǎo)線與壓線筒匹配性可以用導(dǎo)線占空比來(lái)表示，即導(dǎo)線截面積和壓線筒孔徑截面積之比，如公式（1）所示。。

式中：Ss為導(dǎo)線的截面積；SD為壓線筒的內(nèi)孔徑截面積。

占空比一般要求在50%～90%。國(guó)內(nèi)外端子制造、壓接相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中都對(duì)端子和導(dǎo)線的匹配關(guān)系有明確規(guī)定，另外在壓接工具方面也有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，廠家會(huì)明確給出相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

其次，壓接出頭與導(dǎo)線剝線長(zhǎng)度。對(duì)于開(kāi)式端子，壓接出頭由端子本身特點(diǎn)決定，不同規(guī)格和廠家要求不同，需要根據(jù)技術(shù)參數(shù)確定。對(duì)于閉式端子，只需要把握導(dǎo)線的剝線長(zhǎng)度，使壓線端和絕緣層或絕緣緊套之間可見(jiàn)線芯，可按剝線長(zhǎng)度=壓線端長(zhǎng)度+（1mm～2mm）這樣的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)剝離。再次，壓接截面。為了達(dá)到最佳的性能要求，必須對(duì)導(dǎo)線和壓線筒截面殘存率進(jìn)行控制，計(jì)算公式如公式（2）和公式（3）所示。

式中：V為導(dǎo)線截面殘存率；SA為變形前的導(dǎo)線截面積；SB為變形后導(dǎo)線截面積。

式中：N為壓接筒截面殘存率；SE為變形前的壓接筒截面積；SF為變形后壓接筒截面積。

一般認(rèn)為截面殘存率大于90%為合格，當(dāng)截面殘存率小于10%，則認(rèn)為變形為不合格。除截面殘存率要求外，還有其他一些參數(shù)，如壓接高度和寬度等，這些參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)、選擇和判定。

4.2 流過(guò)接地線電流的影響

接地線和端子的壓接部位多多少少都會(huì)有接觸電阻，通過(guò)電流熱損耗原理可知，當(dāng)接觸電阻一定時(shí)，流過(guò)接地線上的電流越大，產(chǎn)生的熱量就越多，對(duì)接地線的機(jī)械疲勞影響也會(huì)越大。

流過(guò)接地線的電流包括正常電流和故障電流，正常電流還包括車(chē)輛行駛時(shí)由于牽引變流器、輔助逆變電源以及空調(diào)等用電設(shè)備的作用而產(chǎn)生的各種高次諧波電流，這些高次諧波電流也會(huì)對(duì)接地線的機(jī)械疲勞產(chǎn)生影響，諧波成分越多影響也就越大。

故障電流包括短路、雷擊和過(guò)載等非正常情況下流過(guò)接地線的電流。故障電流由于幅值很大，當(dāng)接觸電阻較大時(shí)，瞬間就能對(duì)接地線造成永久性損傷。如果接地線線徑過(guò)小，甚至?xí)l(fā)生燒毀融化飛濺現(xiàn)象。因此接地線的選擇要考慮故障情況下的載流余量，一般按照接地裝置的額定載流量為300 A設(shè)計(jì)。

由于轉(zhuǎn)向架接地線的特殊位置，因此無(wú)論車(chē)輛停止與否，接地線上始終都有各種電流流過(guò)，其特征如下所述。

4.2.1 靜止車(chē)輛接地線電流

對(duì)于靜止的車(chē)輛，當(dāng)有空調(diào)、空壓機(jī)、逆變器等負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，車(chē)輛的接地線中存在電流，在測(cè)量的車(chē)輛中有50%以上的車(chē)輛存在超過(guò)1 A的接地電流，實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)最大接地電流甚至達(dá)到了2 515 A；接地線電流值離散性較大，接地電流值與車(chē)輛負(fù)載的大、小及負(fù)載平衡度有關(guān)；車(chē)輛的接地電流冬季比夏季大；按車(chē)廂類(lèi)型劃分，動(dòng)車(chē)車(chē)廂接地電流比其他車(chē)廂大；車(chē)體轉(zhuǎn)向架接地線電流一部分通過(guò)轉(zhuǎn)向架軸箱接地線，一部分通過(guò)另一軸承。

4.2.2 運(yùn)行車(chē)輛接地線電流

停車(chē)時(shí)，動(dòng)車(chē)車(chē)廂接地線存在電流，該電流受車(chē)輛編組連掛影響；運(yùn)行時(shí)，動(dòng)車(chē)車(chē)廂接地線電流隨負(fù)載（或負(fù)載不平衡度）變化很大，有時(shí)是停止時(shí)接地電流的幾倍，有時(shí)則更小，但電流持續(xù)時(shí)間較短；接地線電流具有脈沖幅值變化的特征，幅值大、小與車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，車(chē)輛在牽引加速狀態(tài)時(shí)會(huì)存在幅值較大的脈沖接地電流；動(dòng)力車(chē)廂的受電弓升弓時(shí)會(huì)對(duì)接地線形成接地沖擊電流；車(chē)輛輔助電源的負(fù)載變化對(duì)接地電流的變化并不大。

結(jié)合以上接地線電流特征，對(duì)轉(zhuǎn)向架接地線的電氣性能要求可概括如下：1）轉(zhuǎn)向架接地線截面積不應(yīng)小于35mm2。2）接地線額定電流應(yīng)大于300 A。3）當(dāng)瞬態(tài)電流為10 kA RMS，持續(xù)時(shí)間100 ms時(shí)，接地線應(yīng)無(wú)損傷。4）在峰值電流25 kA，持續(xù)時(shí)間20 μs時(shí)，接地線應(yīng)無(wú)損傷。5）接地線接觸電阻為1 mΩ～2 mΩ。

5 結(jié)論

由于時(shí)間有限，該文并沒(méi)有將疲勞試驗(yàn)長(zhǎng)期進(jìn)行下去，而是采用了強(qiáng)化試驗(yàn)的方法，而且試驗(yàn)過(guò)程中并沒(méi)有加入接地電流的因素和壓接匹配性因素。但通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析可推出如下建議和推論，望讀者們參考和借鑒：1）接地線的機(jī)械疲勞損傷與接地線和端子的壓接匹配性及壓接工藝有最直接的關(guān)系，壓接良好情況下抗疲勞能力會(huì)很強(qiáng)。但是在壓接不良情況下，一旦有外界的擾動(dòng)，就會(huì)在應(yīng)力集中的線材與端子的銜接部位發(fā)生疲勞損傷。2）車(chē)輛行駛時(shí)流過(guò)接地線的電流是機(jī)械疲勞損傷最主要的影響因素，流過(guò)的電流越大，產(chǎn)生的熱量就越多，產(chǎn)生的熱量越多，抗疲勞能力就越弱，熱量按照電流的平方指數(shù)上升，一旦發(fā)生接觸不良，就會(huì)加速損傷，甚至直接發(fā)生燒熔故障。3）機(jī)械疲勞試驗(yàn)接地線樣品的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，線徑也較大，長(zhǎng)度最短也有500mm左右，線徑最小也有35mm2，試驗(yàn)結(jié)果表明接地線要有一定的線徑和長(zhǎng)度余量，這樣可增強(qiáng)接地線的抗疲勞能力。如果過(guò)于短小，一旦發(fā)生較大移位，就很容易發(fā)生應(yīng)力集中和機(jī)械損傷。4）通過(guò)試驗(yàn)可以看出，正常工況下（壓接良好、線徑和長(zhǎng)度有余量、無(wú)過(guò)大電流等），接地線在受到各種振幅擾動(dòng)時(shí)所受到的應(yīng)力較小，達(dá)不到損傷的程度。因此接地線設(shè)計(jì)和選型時(shí)應(yīng)充分考慮各種關(guān)聯(lián)因素的同時(shí)，更重要的是分清主要因素和次要因素。