踏面制動(dòng)單元緩解手柄拉斷故障分析

鄧秀玲，鄒 偉

(中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

踏面制動(dòng)單元制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是機(jī)車(chē)車(chē)輛的制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2019年10月，在進(jìn)行車(chē)輛日常維護(hù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)數(shù)起緩解手柄被拉斷的現(xiàn)象。由于緩解手柄被拉斷后，影響停放制動(dòng)緩解，可能對(duì)車(chē)輛運(yùn)營(yíng)造成影響，須對(duì)故障進(jìn)行分析，并提出解決方案，防止對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛的正常運(yùn)行造成影響。

1 故障分析

1.1 緩解手柄的結(jié)構(gòu)及功能

緩解手柄是手緩解拉繩裝置的一個(gè)組成零件之一。手緩解拉繩裝置為外購(gòu)件，由緩解手柄、拉繩、安裝座及穿銷(xiāo)鎖定裝置等部件組成，如圖1所示。緩解手柄通過(guò)內(nèi)置的螺套與拉繩相連。考慮操作舒適性，緩解手柄材質(zhì)采用塑料材質(zhì)。

1—緩解手柄；2—拉繩；3—安裝座；4—穿銷(xiāo)鎖定裝置。

當(dāng)車(chē)輛無(wú)風(fēng)或風(fēng)壓不足以緩解停放制動(dòng)時(shí)，如果需要移動(dòng)車(chē)輛，則需要拉動(dòng)手柄，以緩解停放制動(dòng)。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，確定故障

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，手柄拉斷時(shí)，操作人員處于正常操作狀態(tài)。故障為：操作緩解手柄緩解停放制動(dòng)時(shí)，緩解手柄塑料部分?jǐn)嗔褳閮刹糠郑⑴c金屬部分脫離，如圖2所示。

1.3 故障件分析

對(duì)故障件進(jìn)行檢查、分析，發(fā)現(xiàn)該批次內(nèi)置螺套端面低于手柄塑料端面(見(jiàn)圖3)，導(dǎo)致壓緊螺母的預(yù)緊力通過(guò)墊片直接作用于塑料材質(zhì)的緩解手柄上(見(jiàn)圖4)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，塑料面承受的壓應(yīng)力為93 MPa，該應(yīng)力已超出了其材質(zhì)(該材質(zhì)為ABS工程塑料)的極限壓縮強(qiáng)度70 MPa，導(dǎo)致手柄產(chǎn)生裂紋并發(fā)展為斷裂，因此，結(jié)構(gòu)原因應(yīng)是故障發(fā)生的直接原因。

圖2 手柄斷裂故障現(xiàn)象

圖3 塑料面高出金屬內(nèi)置螺套端面

圖4 手柄與鋼絲拉繩聯(lián)接方式

經(jīng)過(guò)初步調(diào)查，該手緩解拉繩裝置已在多條線路批量運(yùn)用多年，質(zhì)量一直穩(wěn)定，在此之前未發(fā)現(xiàn)同類(lèi)故障，且緩解拉繩的采購(gòu)技術(shù)條件也未變化，因此，應(yīng)對(duì)供應(yīng)商進(jìn)行專項(xiàng)質(zhì)量調(diào)查。

1.4 質(zhì)量調(diào)查及分析

為查明該起故障的原因，對(duì)供應(yīng)商(提供圖1所示的整套手緩解拉繩)進(jìn)行了專項(xiàng)質(zhì)量調(diào)查。經(jīng)過(guò)調(diào)查，認(rèn)為導(dǎo)致手柄斷裂的原因如下:由于生產(chǎn)場(chǎng)地變更，供應(yīng)商在金屬內(nèi)置螺套定位工裝未準(zhǔn)備就緒的條件下就開(kāi)始生產(chǎn)，使得手柄塑料面高出金屬內(nèi)置螺套端面，引起該批次產(chǎn)品不合格，最終導(dǎo)致了此次故障。與此同時(shí)，供應(yīng)商也未按手緩解拉繩裝置的采購(gòu)技術(shù)規(guī)范要求，將此次生產(chǎn)場(chǎng)地及生產(chǎn)工藝的變更告知買(mǎi)方。供應(yīng)商現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理、質(zhì)量控制存在一定紕漏，也未按合同要求履行告知義務(wù)，是此次故障的主要原因。經(jīng)過(guò)分析，手緩解拉繩裝置的采購(gòu)技術(shù)規(guī)范未識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)冗余較低，是導(dǎo)致故障的根本原因，需要在以下方面進(jìn)行改進(jìn)。

1)結(jié)構(gòu)尺寸要求較為簡(jiǎn)單，需要補(bǔ)充關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)尺寸要求(如金屬螺套端面低于塑料端面的尺寸)，以便進(jìn)行入廠尺寸檢驗(yàn)。

2)手柄材質(zhì)為ABS塑料，其材料的極限壓縮強(qiáng)度的設(shè)計(jì)冗余較少，應(yīng)采用極限壓縮強(qiáng)度更高的材料。

2 改進(jìn)措施

為杜絕手柄再次發(fā)生斷裂現(xiàn)象，對(duì)手緩解拉繩裝置的采購(gòu)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)變更。

1)關(guān)鍵部位的尺寸要求，如注塑成型時(shí)金屬內(nèi)置螺套端面高于塑料面 0.1～0.5 mm，防止預(yù)緊力作用在塑料面上，如圖5所示。

圖5 增加尺寸要求

2)手柄改用 PA 材質(zhì)，其性能如表1所示。

表1 材料的主要性能參數(shù)對(duì)比

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述的改進(jìn)措施，對(duì)手柄結(jié)構(gòu)、材質(zhì)進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行了生產(chǎn)試制(見(jiàn)圖6)，對(duì)改進(jìn)后的手柄按照實(shí)際運(yùn)用載荷進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證(見(jiàn)圖7)。采用充風(fēng)風(fēng)壓為 600 kPa的加載氣缸拉動(dòng)手柄，模擬手緩解拉力對(duì)手柄進(jìn)行了1萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)(見(jiàn)圖8)，未發(fā)現(xiàn)手柄有裂紋、斷裂等異常現(xiàn)象。

疲勞試驗(yàn)中，手柄拉力的選擇過(guò)程如下:考慮到實(shí)際操作過(guò)程中，出現(xiàn)手拉緩解到位后手柄仍承受緩解拉力(該拉力可能較大)的現(xiàn)象，現(xiàn)提高手柄的工作載荷要求。依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第4版第1卷要求，人手拉緩解手柄時(shí)，最大拉力為43 kg，如圖9所示(第1個(gè)操作方法)。因此，1 萬(wàn)次疲勞壽命試驗(yàn)中的拉力要求為43 kg，并按照該載荷對(duì)改進(jìn)后的手柄進(jìn)行疲勞驗(yàn)證。

圖6 試制前后對(duì)比

圖7 疲勞試驗(yàn)裝置

圖8 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖9 不同操作方法人的最大拉力

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，緩解手柄拉斷的故障主要原因是供應(yīng)商現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理和質(zhì)量控制存在紕漏。根本原因是設(shè)計(jì)源頭未識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)冗余較低。針對(duì)故障原因，從設(shè)計(jì)源頭即采購(gòu)技術(shù)規(guī)范上制定了解決措施。改進(jìn)后的緩解手柄，經(jīng)過(guò)試制，疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，符合設(shè)計(jì)要求，并已批量裝車(chē)，從2019年應(yīng)用至今，未發(fā)現(xiàn)同類(lèi)故障。