Analysis and solution of leakage of pantograph carbon strips

Abstract：This paper introduces the failure of air connector breakage and leakage during the use of a pantograph strip for a certain type of EMU vehicle. The structure of the air connector is analyzed in detail and a series of simulation tests are carried out to find the real cause of the air connector breakage and leakage, and proposed a structural optimization plan, through the test and on-line application assessment and verification, to completely solve the problem of breakage and leakage during the service period of the air connector.

Keyword：Carbon strip, air connector, leakage

碳滑板是轨道交通机车车辆的关键零部件之一，安装在高铁动车、电力机车、地铁等车辆车顶受电弓上，与架空电网接触并传导电流供车辆使用[1]。为了最大程度降低弓网故障，碳滑板内部通常预设有气道，在工作时气道内充入压缩空气。当碳滑板受到一定程度冲击时，气道破裂放气减压，并触发受电弓自动降弓功能，从而保护接触网线和受电弓，避免弓网故障扩大。

2017年5月至2018年1月期间，配属广州局、南昌局、南宁局、成都局等用户的某型动车组车辆用受电弓滑板在使用期间未遭受明显异常冲击的情况下，多次出现气道漏气引起自动降弓故障，造成列车晚点，严重影响了客运线路的正常运营。

1故障描述

发生漏气故障的碳滑板运用公里数最短7.2万机车公里，最长约32万机车公里，漏气位置均为气路接头附近及端部，接通气源时有明显气体泄漏的“呲呲”声，喷涂检漏剂时有大量气泡冒出，如图1所示。

图1 碳滑板漏气图

通过对漏气碳滑板解体检查，确认是碳滑板内部气道铜管出现破裂所致，如图2所示。

图2 铜管破裂位置实拍图

2结构及原理

故障碳滑板系2004年从国外技术引进，在国内使用将近15年，累计使用总量超过30万条，有良好的市场应用业绩，是技术成熟的产品。出现漏气故障的碳滑板采用了相同的自动降弓装置气道结构。如图3所示，该气道由一根铜管（序3）和两端的气嘴（序4）组成，气嘴与铜管之间以焊接的形式结合，安装在碳滑板碳条（序2）内部。两端的气嘴与快速接头（序5）形成整体固定在碳滑板铝托架（序1）上，快速接头与气嘴之间通过螺纹连接，并涂抹密封胶。一端的快速接头连接至受电弓的气路，另一端为密封堵结构。通过上述结构分析可知，碳滑板气道铜管出现破裂位置是铜管（序3）与气嘴（序4）焊接位置。

图3 碳滑板自动降弓保护气道示意图

3原因分析

3.1 故障件分析

首先对漏气碳滑板进行拆解，取出破裂的铜管，开展断口和断口剖面金相分析。

对断口区域进行微观形貌及能谱分析，如图4所示。可观察到裂纹源于铜管外表面与焊缝外表面，沿图中所示方向向对侧扩展。源区及其附近扩展区隐约可见疲劳条纹，部分区域可见沿晶断口；后断区为韧窝断口。

图4 断口整体形貌

图5 断口源区形貌

图6 断口扩展形貌

图7 断口后断区形貌

垂直于断口制备断口剖面金相试样，结果如图8所示。裂纹穿过焊缝和铜管管壁，断口附近焊缝表面可见张开的显微裂纹，具有在较大应力下发生开裂的特征。

图8 垂直于断口剖面金相

通过上述断口形貌及剖面金相分析，裂纹穿透焊接区和铜管壁，裂纹附近的焊肉和基材未见异常材料缺陷。断口附近的焊接区同时可见平行于断口的张开裂纹，这表明铜管在断裂时承受较大的应力作用、发生多源开裂。铜管内部工作气压（受电弓工作气压）约0.3-0.4MPa，换算成管壁纵向应力约为0.1MPa，该工作应力远不足以导致铜管发生破裂。从铜管横向裂纹分析，安装应力和运用过程中的振动载荷应是铜管发生破裂的重要受力来源。

3.2 结构分析

随后对碳滑板气道铜管及接头的安装结构进行解体检查，由该部位的安装结构图（图3）可知，气道铜管及气嘴的固定主要依靠安装在外部的快速接头，固定的效果受快速接头的安装操作、铝托架与气嘴相关配合尺寸、内部胶层覆盖程度等因素的影响。通过对该位置的气嘴安装配合尺寸检查，快速接头与气嘴完全安装到位后，最大间隙尺寸约为1.5mm（图9尺寸①），而铝托架相应的配合尺寸约为1.2mm（图示尺寸②），气嘴理论上存在最大约0.3mm的旷量，在内部胶层覆盖效果不佳时可能出现未能完全固定的情况。

因此，当滑板运用时，在弓网之间的高频振动作用下，未完全固定的气嘴就极有可能出现相对振动，使铜管气道长时间处于异常的高频振动，端部应力集中点处产生疲劳裂纹，继而破裂。

图9 碳滑板气道安装结构图

通过对漏气滑板进一步排查，气嘴位置的安装配合尺寸存在一定旷量，基本可确定是铝托架沉台加工尺寸（图10颜色标注位置厚度尺寸）出现偏差引起。如图10为正常尺寸，图11为偏差尺寸。

图10 正常尺寸及气嘴配合

图11 偏差尺寸及气嘴配合

3.3原因确定

根据上述故障件的断口分析及结构分析结果，可以确定碳滑板漏气的直接原因是内部气道铜管疲劳开裂。运用过程中长时间的弓网间持续高频振动，作用在未完全固定的铜管和气嘴，导致了铜管与气嘴焊接位置出现疲劳应力裂纹，继而完全断裂。

对滑板信息统计时发现，出现问题的碳滑板平均走行公里约为 25万机车公里，其中最大的走行公里约为40万机车公里。磨耗寿命满足动车组碳滑板技术条件TJ/CL 328-2014对磨耗寿命不小于6万机车公里的要求，远超出业内滑板的平均磨耗寿命。磨耗寿命越长，碳滑板累计承受的振动冲击次数也会越多。

4解决方案

针对碳滑板内部气道与气嘴存在未完全固定的情况，提出了产品的优化方案：在碳滑板气嘴和快速接头之间加装一种特殊的弹性垫圈，如图12所示。该结构可利用弹性垫圈填充快速接头与气嘴之间的间隙，加强气嘴与快速接头整体在铝托架上的固定效果，避免相对振动的情况出现。此外，弹性垫圈具有一定的振动吸收效果，能够有效缓冲吸收弓网振动传递至气嘴的冲击和振动，提高疲劳寿命。

1-铜管，2-气嘴，3-快速接头，4-弹性垫圈

图12 改进结构示意图

5解决方案验证

5.1 地面试验

对改进结构的产品，首先进行了标准抗机械疲劳试验，按照动车组碳滑板暂行技术条件[2]（TJ/CL 328-2014）的相关规定进行机械疲劳测试，滑板通过试验，未见异常。

通过标准抗机械疲劳试验后，进行了模拟工况机械疲劳试验。碳滑板的振动频率与弓网振动直接相关，受线路条件、运行车速、接触网状况以及受电弓的受流质量等多方面的因素综合影响。通常来说，高速运行的碳滑板，其振动频率在10Hz以上[3]。针对实际运用过程中碳滑板可能遭到超出标准的异常高频振动工况，对试验条件进行了调整，提高试验振动频率和频次，分别进行了16Hz频率下1200万次振动试验（TJ/CL 328-2014动车组碳滑板暂行技术条件的试验条件为4Hz频率120万次），气嘴柔性连接24Hz和70Hz频率1200万次振动试验，气嘴刚性连接24Hz和70Hz频率1200万次振动试验。

在气嘴刚性连接时，并且在70Hz的振动频率试验条件下，原结构产品经过756万次振动后铜管与气嘴焊接位置出现开裂，基本复现了线路运用中出现的问题。改进结构产品则在相同试验条件下，经过1200万次振动后，无任何损坏。

5.2 小批量装车试验

2018年1月，小批量供应改进结构产品，在广铁集团配属车辆上装车试用，经过一个寿命周期的考核，运用情况良好，未见气道铜管漏气故障。

6结束语

通过返回故障件解体、断口形貌、模拟试验等手段对漏气受电弓碳滑板进行了详细深入分析，确定漏气原因，制定了结构改进方案，并经过产品试制、地面试验以及装车试验，验证改进的效果，从源头上消除了产品质量问题，保障动车组车辆的安全运营。

参考文献

[1]吴积钦.受电弓与接触网系统[M].成都:西南交通大学出版社,2010:174

[2]动车组碳滑板暂行技术条件[Z].北京：中国铁路总公司,2014

[3]梅桂明.受电弓-接触网系统动力学研究[D].成都：西南交通大学,2010