地铁车辆转向架接地线机械疲劳损伤的研究

包 捷 周丽梅 白 璐

（南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司，江苏 南京 210032）

0 引言

地铁车辆接地线作为车辆电气系统的重要组成部分，其安全稳定至关重要，但有时会由于过度疲劳而出现接地线断裂等现象。该文针对地铁车辆转向架运行工况，通过可靠性强化试验，模拟地铁车辆接地线（主要是针对转向架等存在较大位移的位置）的疲劳进行试验，观察接地线的损伤情况及接地电阻电气性能。地铁车辆接地线的疲劳损伤是涉及结构、材料、强度、动力学、制造装备工艺以及车辆行驶条件等很多因素的复杂问题。

1 接地线机械疲劳的形式

大量的试验证明，机械疲劳强度的分散性很大，因此机械疲劳寿命分析有很多的不确定性，不确定性来源有以下几个方面：1）结构的疲劳寿命受很多物理量所决定，如载荷、材料性能以及几何尺寸等，这些物理量不仅存在分散性，还和时间因素有关。2）统计的不确定性。对变量的分布特征进行统计需要进行样本取样，然而由于受到样本容量的限制，从样本中统计出的变量特征与实际都有一定的差距。3） 接地线材料在应力或应变的反复作用下所发生的电气性能变化。据统计，在各种机械结构破坏中，疲劳破坏约占50%～90%。

接地线在正常工作条件下常见的失效形式有裂纹、断裂、连接松动及电气参数失效等，该文主要通过疲劳试验来验证接地线的电气性能，进而也可判定出端子与线材的压接情况，以及所使用压接工具的匹配性。

2 接地线机械疲劳的影响因素

2.1 引起车辆横向振动的激振源

车辆沿直线轨道行驶时，车辆轮对呈现出复杂的运动，这是由车轮踏面具有斜度和轮轨间存在着复杂的动力作用而引起的。因此车体和转向架在横向水平平面内一面做横摆运动，一面做摇头运动，运行轨迹不是直线而是某一波状曲线。这种偏离了直线的轮对运动就是引起车辆振动的主要激振源，这种振动对接地线的强度有重要的和决定性的影响。

2.2 线材的疲劳积累

疲劳积累是在循环载荷下，材料局部发生损伤的累积过程，即材料发生永久的局部微结构变化的过程。当接地线材料承受高于疲劳极限的应力时，每个循环都使材料产生一定的损伤，每个循环所造成的平均损伤为1/N，这种损伤是可以积累的。主要特点有：1）它是在交变的循环应力或循环应变作用下发生的材料损伤。2）它是一个损伤累积的过程，这种累积过程包括微裂纹的生成与扩散、宏裂纹的形成与扩散，这些损伤扩展到最后就会导致材料的断裂破坏。3）疲劳累积常带有局部性，微裂纹群的发展、聚集和宏裂纹的形成并不是整个线材的各部位同时发生的，具有非均匀性与局部先发性。

2.3 变幅载荷

大多数结构和零件都是在变幅载荷下工作的，变幅载荷下很容易产生疲劳积累，如转向架接地线发生纵向震动。由于重力的作用向下，震动时受到的应力要远大于向上震动时受到的应力，最终的疲劳失效是不同频率和幅值的载荷所造成的损伤逐渐累积的结果。

2.4 线材的压接工艺

线材压接后，导线与端子之间有挤压力，同时导线弯曲也会使铜丝之间产生挤压力。挤压应力是接地线应力的重要组成部分，它随着张力、端子和内部的夹紧力的上升而上升。

典型的多层导线压接后层与层的接触开始是点与点的接触，当产生极高的接触应力时，点与点的接触产生可塑变形，或损伤线材，或造成其他部位接触不良而发生松动，这种压痕缺陷会随着各种动态应力作用逐渐发展和壮大。

3 接地线机械疲劳的模拟试验

由于地铁车辆接地线工作环境非常复杂，且时时刻刻具有多变性，因此接地线疲劳可靠性试验的模拟环境也很难全面反映实际情况，其试验结果只能作为一种参考。此外，其他行业（尤其是航空及军工）的实践也表明，产品即便通过了传统的可靠性疲劳试验的检验，其本身也仍旧存在较多的潜在缺陷。因此该文采用的是可靠性强化试验方法，简单来讲就是采用比实际更恶劣的环境来验证其可靠性。

接地线机械疲劳可靠性强化试验将增强幅值、加速应力等环节引入试验中，通过强化措施快速有效地激发接地线设计和工艺方面的潜在缺陷，使其以故障的形式表现出来，方便后期的缺陷定位与机理分析。

机械疲劳试验选用了95mm2、70mm2和35mm2的不同线径、不同长度的接地线样品，接线端子采用模压和坑压形式压接，通过试验台针对地铁车辆转向架运行工况进行了模拟试验。机械疲劳测试试验台如图1所示，其由2台变频电机驱动大、小2面偏心盘，偏心盘偏心距离可调整，通过改变偏心距离及电机转速、加减速时间（加速度、减速度）等参数[1]，即可模拟车辆前进方向平面上横向和纵向震动的幅值和频率、震动加减速度及受到的机械应力。

该文在试验前对试验样品进行了电阻阻值测量[2]，对同一长度、同一线径的样品则进行不同固定角度的疲劳试验，如图2所示。试验根据试品的实际工作位置及工作环境确定了试验参数，每件样品在试验台上往复测试1周以上时间，试验过程中试验人员应实时观测试验状况，接地线保护层不应出现爆裂、褶皱，压接部位不应出现明显的断裂及松动。试验完成后仔细观察试样的外观情况，尤其观察试样有无明显的机械损伤，对无明显损伤的样品再次进行电阻阻值的测量，进行对比分析。

4 试验结果分析

试验分别对不同线径、不同长度和不同压接安装角度的接地线进行了相关机械疲劳试验，试验结果见表1。从表1记录可看出，被测试的接地线样品没有一件出现明显的机械疲劳损伤，而且在试验前、后，线材的电阻参数值并无明显变化（考虑测量误差等因素，试验前、后的电阻参数几乎可以看作没有变化）。可以得出由于转向架接地线的线径较大，因此在线材与端子压接工艺达到标准要求情况下，接地线并不容易产生机械性震动疲劳，而且其静态电阻特性也非常稳定。

表1 接地线的机械疲劳模拟试验数据记录

该次试验的震动幅度及所施加应力远超实际情况，但并未出现接地线断裂或损伤情况。因此可以推断，除了试验时间长、短的因素外，必然还有其他更主要的影响因素没有考虑进去，因为接地线故障并不是个别少数现象。某地铁车辆接地线的故障图片如图3所示。

从图3可看出接地线疲劳损伤故障大多出现在线材与压接端子的衔接部位，而且某些故障点存在烧熔痕迹和磨损痕迹，说明比起车辆行驶时的各种震动及接地线的长度、材料、固定角度等因素，对转向架接地线造成疲劳损伤的更重要的因素为端子与线材的压接匹配性和流过接地线的正常电流及故障电流。

4.1 接地线压接质量控制

端子压接是接线端子的金属压线筒包住裸线导线，使用专用压接工具对压线筒进行机械压紧而产生的连接，以便让金属在规定的限度内发生变形，将导线连接在接触件上。良好的压接连接会使金属互溶流动，导线和接触件材料对称变形，进而得到较好的机械性能和电气性能。

影响端子压接质量的因素有端子、导线和压接工具，压接匹配性也是指这3个要素之间的匹配性。压接后的导线截面积、机械性能、电气性能和端子的压接深度存在相关关系，压接特性曲线如图4所示。

从图4可以看出，导线的截面积如果过度收缩，就会产生过高的电阻值，容易产生热量；如果收缩不够，就会产生压接点不牢，抗拉强度不够，导线容易从压接茼内脱落。因此，压接深度所选取的设计值一般都会低于最大的抗拉强度点，这样压接后的电阻值较低，抗拉强度也大。压接质量控制从以下几个方面进行考虑。

首先，导线、端子和压接工具之间的匹配性。导线与压线筒匹配性可以用导线占空比来表示，即导线截面积和压线筒孔径截面积之比，如公式（1）所示。。

式中：Ss为导线的截面积；SD为压线筒的内孔径截面积。

占空比一般要求在50%～90%。国内外端子制造、压接相关标准和规范中都对端子和导线的匹配关系有明确规定，另外在压接工具方面也有相关标准规定，厂家会明确给出相关技术参数。

其次，压接出头与导线剥线长度。对于开式端子，压接出头由端子本身特点决定，不同规格和厂家要求不同，需要根据技术参数确定。对于闭式端子，只需要把握导线的剥线长度，使压线端和绝缘层或绝缘紧套之间可见线芯，可按剥线长度=压线端长度+（1mm～2mm）这样的经验数据剥离。再次，压接截面。为了达到最佳的性能要求，必须对导线和压线筒截面残存率进行控制，计算公式如公式（2）和公式（3）所示。

式中：V为导线截面残存率；SA为变形前的导线截面积；SB为变形后导线截面积。

式中：N为压接筒截面残存率；SE为变形前的压接筒截面积；SF为变形后压接筒截面积。

一般认为截面残存率大于90%为合格，当截面残存率小于10%，则认为变形为不合格。除截面残存率要求外，还有其他一些参数，如压接高度和宽度等，这些参数可以根据实际需要进行设计、选择和判定。

4.2 流过接地线电流的影响

接地线和端子的压接部位多多少少都会有接触电阻，通过电流热损耗原理可知，当接触电阻一定时，流过接地线上的电流越大，产生的热量就越多，对接地线的机械疲劳影响也会越大。

流过接地线的电流包括正常电流和故障电流，正常电流还包括车辆行驶时由于牵引变流器、辅助逆变电源以及空调等用电设备的作用而产生的各种高次谐波电流，这些高次谐波电流也会对接地线的机械疲劳产生影响，谐波成分越多影响也就越大。

故障电流包括短路、雷击和过载等非正常情况下流过接地线的电流。故障电流由于幅值很大，当接触电阻较大时，瞬间就能对接地线造成永久性损伤。如果接地线线径过小，甚至会发生烧毁融化飞溅现象。因此接地线的选择要考虑故障情况下的载流余量，一般按照接地装置的额定载流量为300 A设计。

由于转向架接地线的特殊位置，因此无论车辆停止与否，接地线上始终都有各种电流流过，其特征如下所述。

4.2.1 静止车辆接地线电流

对于静止的车辆，当有空调、空压机、逆变器等负载启动时，车辆的接地线中存在电流，在测量的车辆中有50%以上的车辆存在超过1 A的接地电流，实测中发现最大接地电流甚至达到了2 515 A；接地线电流值离散性较大，接地电流值与车辆负载的大、小及负载平衡度有关；车辆的接地电流冬季比夏季大；按车厢类型划分，动车车厢接地电流比其他车厢大；车体转向架接地线电流一部分通过转向架轴箱接地线，一部分通过另一轴承。

4.2.2 运行车辆接地线电流

停车时，动车车厢接地线存在电流，该电流受车辆编组连挂影响；运行时，动车车厢接地线电流随负载（或负载不平衡度）变化很大，有时是停止时接地电流的几倍，有时则更小，但电流持续时间较短；接地线电流具有脉冲幅值变化的特征，幅值大、小与车辆运行状态有关，车辆在牵引加速状态时会存在幅值较大的脉冲接地电流；动力车厢的受电弓升弓时会对接地线形成接地冲击电流；车辆辅助电源的负载变化对接地电流的变化并不大。

结合以上接地线电流特征，对转向架接地线的电气性能要求可概括如下：1）转向架接地线截面积不应小于35mm2。2）接地线额定电流应大于300 A。3）当瞬态电流为10 kA RMS，持续时间100 ms时，接地线应无损伤。4）在峰值电流25 kA，持续时间20 μs时，接地线应无损伤。5）接地线接触电阻为1 mΩ～2 mΩ。

5 结论

由于时间有限，该文并没有将疲劳试验长期进行下去，而是采用了强化试验的方法，而且试验过程中并没有加入接地电流的因素和压接匹配性因素。但通过试验结果分析可推出如下建议和推论，望读者们参考和借鉴：1）接地线的机械疲劳损伤与接地线和端子的压接匹配性及压接工艺有最直接的关系，压接良好情况下抗疲劳能力会很强。但是在压接不良情况下，一旦有外界的扰动，就会在应力集中的线材与端子的衔接部位发生疲劳损伤。2）车辆行驶时流过接地线的电流是机械疲劳损伤最主要的影响因素，流过的电流越大，产生的热量就越多，产生的热量越多，抗疲劳能力就越弱，热量按照电流的平方指数上升，一旦发生接触不良，就会加速损伤，甚至直接发生烧熔故障。3）机械疲劳试验接地线样品的长度较长，线径也较大，长度最短也有500mm左右，线径最小也有35mm2，试验结果表明接地线要有一定的线径和长度余量，这样可增强接地线的抗疲劳能力。如果过于短小，一旦发生较大移位，就很容易发生应力集中和机械损伤。4）通过试验可以看出，正常工况下（压接良好、线径和长度有余量、无过大电流等），接地线在受到各种振幅扰动时所受到的应力较小，达不到损伤的程度。因此接地线设计和选型时应充分考虑各种关联因素的同时，更重要的是分清主要因素和次要因素。