1 引言
随着电气化铁路在中国的蓬勃发展，我国逐步掌握了高速动车组的制造技术。高速动车组的高速、高效等性能为我国的经济和文化的发展带来巨大进步。接地装置是高速动车组的重要零部件之一，其功能是将车上工作电流和系统故障电流等传导给车轴，再经轮轨导入大地，以保障车载人员和设备的安全，同时为车轴轴承提供经济有效的保护，避免轴箱轴承产生电蚀的风险（电蚀问题会造成轴承提前分解检修甚至报废，产生不必要的浪费和存在一定安全风险）[1]。接地装置的质量对车辆及旅客的安全至关重要。
2 概述
接地装置由接地线缆、接地盖、恒力弹簧、保持架、碳刷、摩擦盘等部件组成。恒力弹簧、保持架、碳刷等部件通过螺栓组装在接地盖上。接地盖所用材料为聚酯/玻璃纤维片状模塑料（BMC）。BMC是在不饱和聚酯树脂中加入增稠剂、无机填料、引发剂、脱模剂等组分, 再与短切玻璃纤维捏合而成的热固性塑料 [2]。2017年8月，动车所工作人员在检修过程中发现接地盖外表面和内部保持架安装座表面产生裂纹。裂纹扩展可能会导致接地盖脱落或接地装置内进水等问题，需对裂纹产生原因进行分析。
3裂纹原因分析
针对接地盖裂纹问题，分别使用仿真计算和剖切检测分析两种手段对其进行了研究分析。
3.1仿真计算
在常规建模时，几何处理可以忽略了较小的倒角和圆角。本次采用较小的网格，尽可能逼近真实结果，几何处理时，没有忽略倒角和圆角，仅对商标处 进行平滑处理。轴箱盖整体使用实体单元模拟。
根据接地盖模型建立有限元模型。模型整体结构主要采用 3D Psolid 单元和 1D BEAM 单元建模。 采用 ABAQUS 求解器进行计算。载荷工况如下：
1.纵向±300g、垂向±300g、横向±300g（校验载荷）。
2.纵向±100g、垂向±100g、横向±100g（疲劳载荷）。
静强度评定：
基于考虑接地盖的载荷的类型，应用可能的失效理论。接地盖整体受到校
验载荷情况下的最大应力为7.215Mpa。取安全系数为1.15，BMC 材料的许用应力为 87MPa。8 种静强度计算工况下，最大单元应力远远小于 BMC 材料的许用应力。因此，接地盖壳体静强度设计符合要求。
疲劳强度评定：
在8种疲劳工况下，接地盖各个关键部位受到校疲劳荷情况下的最大应力为2.420Mpa。根据标准 BS7608-1993 对接地盖关键部位进行疲劳分析，这些部位均可以承受N=107次应力循环，因此接地盖壳体疲劳强度设计符合要求。
3.2剖切检测
对接地盖外观进行了检查，对接地盖裂纹断口及断口附件的表面进行了宏微观观察，并对人为打开断口区域进行了宏微观观察，在以上试验的基础上，确定了接地盖开裂的原因。
本次从故障接地盖中抽取一套进行检测，从接地盖外观来看，接地盖的内、外表面均存在裂纹。内部裂纹位于保持架安装座螺栓孔的周围；外部裂纹位于铝合金法兰和BMC材料壳体的连接处。接地盖的内外表面均未见明显的撞击痕迹。
保持架安装座螺栓孔顶部存在一条较细长的裂纹，延伸至侧面，其顶部长度约为8mm，侧面长度约为2mm。两个螺栓孔顶部，裂纹的周边均存在呈现紫红色的污染物，外表面存在一条裂纹且已裂透至内表面，裂纹周边存在大量摩擦痕迹和表面缺陷，塑料内表面存在两条裂纹，三条裂纹均未相交且较细。
将两个接地盖的裂纹打开，发现接地盖使用过程中，裂纹内渗入污染物，使裂纹内部颜色发生变化，变成黑色。从宏观颜色的变化可以推断出裂纹均是从表面起源，向内部扩展。
使用扫描电镜观察，源区可见大量的气孔，高倍下观察，可见源区内区材料组织呈现颗粒块状没有很好的粘结在一起。气孔与块状颗粒组织特征均为制备过程中形成的缺陷。材料纤维分布不均匀，表面开裂区域纤维较少，且均沿着断口方向排列。
.png)
图3-1 裂纹微观断口
取样完好的接地盖内部螺栓孔，然后人为打开，将得到的断口放置于扫描电镜下观察，断口内可见大量的纤维，开裂取表面也可见大量的自由表面特征、气孔和尺寸较小的层片。
4结论
1.经计算，接地盖的静强度及疲劳强度均合格，接地盖强度设计符合要求。
2. 接地盖上的三条裂纹均从缺陷处起源，向内部扩展。
3. 通过对接地盖的宏观观察，排除了外物损伤导致构件裂纹产生的可能性。微观观察发现，无论是打开的裂纹断口，还是人为打开的完好部位的断口，都存在较多气孔、层片、自由表面等缺陷，并且发现螺栓孔内壁存在的缺陷数量更多，还存在裂纹缺陷，而构件均为表面缺陷处开裂，向内扩展。因此，上述缺陷是导致其开裂的原因之一。
4.通过对打开的裂纹断口和人为打开的完好部位的断口做对比，发现裂纹断口纤维较少，而人为打开完好部位纤维较多。因此可知，接地盖压制成型前，纤维分布不均，纤维较少处更容易产生裂纹。
4.针对气孔、层片、自由表面、纤维分布不均等问题，应当从工艺方法及工艺设备入手，保证接地盖压制成型的质量。
参考文献：
[1] 刘莹， 陈维金， 李枫，等.高速动车组齿轮箱接地装置 用碳刷性能对比试验［ J］.机车车辆工艺，2011（6）：37 38.
[2] 陈庆涛 , 宋结明 . B MC 注射车灯反射镜工艺分析 [J ] 中国照明电器，2001(12):21-23.
论文作者:尹文龙
论文发表刊物:《科学与技术》2019年21期
论文发表时间:2020/4/17
标签：裂纹论文; 断口论文; 表面论文; 车组论文; 螺栓论文; 气孔论文; 强度论文; 《科学与技术》2019年21期论文;