單元制動機(jī)閘片異常磨耗問題分析及優(yōu)化

林亞偉,王偉波

（1.大功率交流傳動電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 株洲 412001; 2.中車株洲電力機(jī)車有限公司,湖南 株洲 412001;3.軌道車輛制動技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室,湖南 株洲 412001）

0 引言

該文根據(jù)單元制動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并結(jié)合車輛運(yùn)營條件，通過對故障單元制動機(jī)拆解分析、疲勞測試、預(yù)壓力測試和振動沖擊測試等方法查找閘片異常磨耗的根本原因，根據(jù)在振動試驗(yàn)臺上故障現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)的工況進(jìn)行分析和評估，通過優(yōu)化閘調(diào)器結(jié)構(gòu)來提高單元制動機(jī)對抗振動沖擊的能力和穩(wěn)定性。

1 故障現(xiàn)象描述

某地鐵車輛投入運(yùn)營后，多次出現(xiàn)單元制動機(jī)閘片間隙過小造成閘片異常磨耗的現(xiàn)象，異常磨耗閘片與同列車其它閘片相比，厚度差異最大可達(dá)20 mm。閘片初始厚度為35 mm，約磨耗至30 mm 時(shí)需更換閘片，正常情況下，同列車的閘片磨耗量應(yīng)大致相同。

理想狀況下，制動緩解狀態(tài)時(shí)單元制動機(jī)閘片雙邊總間隙應(yīng)在2～4 mm。故障單元制動機(jī)閘片間隙如圖1 所示，制動緩解狀態(tài)時(shí)閘片雙邊總間隙小于0.5 mm，個(gè)別單元制動機(jī)閘片甚至有抱死制動盤的情況。經(jīng)手動調(diào)節(jié)后，閘片間隙恢復(fù)正常，但投入運(yùn)營后閘片間隙仍會變小。為保障列車安全運(yùn)行，閘片間隙小于1 mm 時(shí)，存在繼續(xù)變小直到為0 mm 的可能，建議更換制動機(jī)[1]。

圖1 閘片間隙不均勻狀態(tài)

2 故障原因分析

為了更好地分析故障單元制動機(jī)閘片間隙變小的原因，需要在試驗(yàn)臺上復(fù)現(xiàn)故障現(xiàn)象，從而有針對性地制定優(yōu)化措施。

2.1 疲勞測試

疲勞測試前首先對故障單元制動機(jī)進(jìn)行拆解分析，經(jīng)過目視檢查和閘調(diào)器的彈簧力測試，未發(fā)現(xiàn)異常。將故障單元制動機(jī)安裝在試驗(yàn)臺上，按照圖2 所示氣路連接并對被試單元制動機(jī)進(jìn)行疲勞測試。

圖2 疲勞測試氣路原理圖

將調(diào)壓閥2 壓力設(shè)為（150±5）kPa，調(diào)壓閥3 壓力設(shè)為（600±10）kPa，將電磁閥A 的得失電動作周期設(shè)為8 s，啟動電磁閥A，對試驗(yàn)單元制動機(jī)進(jìn)行5 萬次的常用制動施加與緩解，期間每進(jìn)行1 萬次試驗(yàn)，測量并記錄緩解時(shí)閘片與制動盤的雙邊總間隙，測量結(jié)果如表1所示。

表1 閘片與制動盤雙邊總間隙測量值

試驗(yàn)結(jié)果表明，疲勞測試試驗(yàn)未能重現(xiàn)故障單元制動機(jī)閘片間隙變小的現(xiàn)象，多次制動施加與緩解不會對單元制動機(jī)的閘片間隙產(chǎn)生影響。

2.2 預(yù)壓力測試

制動在施加過程中，列車在速度9 km/h 時(shí)提前施加30～35 kPa 預(yù)壓力可能會導(dǎo)致單元制動機(jī)閘調(diào)器在該階段發(fā)生誤動作調(diào)節(jié)，造成間隙變小。通過靜態(tài)試驗(yàn)和動態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證上述猜測。

閘調(diào)器動作壓力點(diǎn)測試：按照圖2 連接氣路，給試驗(yàn)單元制動機(jī)提供控制氣壓。將調(diào)壓閥2 壓力設(shè)為0 kPa，調(diào)壓閥3 壓力設(shè)為（600±10）kPa，將單元制動機(jī)的間隙手動調(diào)節(jié)到最大。啟動電磁閥A，緩慢動作調(diào)壓閥2，提高制動缸壓力，觀察壓力表1 的壓力，當(dāng)單元制動機(jī)開始發(fā)生間隙調(diào)節(jié)動作時(shí)，記錄壓力表1 的壓力P1=34 kPa為單元制動機(jī)閘調(diào)器動作點(diǎn)壓力值。

閘調(diào)器動作壓力點(diǎn)施加與緩解：將調(diào)壓閥2 壓力設(shè)為（34±5）kPa，調(diào)壓閥3 壓力設(shè)為（600±10）kPa，將電磁閥A 的得失電動作周期設(shè)為8 s，啟動電磁閥A，對試驗(yàn)單元制動機(jī)進(jìn)行5 萬次的常用制動施加與緩解，期間每進(jìn)行1 萬次試驗(yàn)，測量并記錄單元制動機(jī)制動緩解時(shí)閘片與制動盤的雙邊總間隙，測量結(jié)果如表2 所示。

表2 閘片與制動盤雙邊總間隙測量值

此外該測試通過更改預(yù)壓力控制軟件，在不影響ATO 停車精度的前提下裝車試驗(yàn)，跟蹤軟件變更對故障單元制動機(jī)閘片間隙的影響。更改內(nèi)容為在更小的速度點(diǎn)（6 km/h）施加更大的預(yù)壓力（40 kPa），經(jīng)驗(yàn)證仍會出現(xiàn)閘片間隙過小的故障現(xiàn)象。

綜合對故障單元制動機(jī)的動作測試及裝車驗(yàn)證結(jié)果表明，預(yù)壓力功能不會對單元制動機(jī)閘片間隙調(diào)整產(chǎn)生影響。

2.3 振動模擬測試

選取車輛上正常和故障兩種單元制動機(jī)，參考IEC 61373-2010 中2 類設(shè)備條件[2]，分別按照標(biāo)準(zhǔn)RMS 量級的3 倍RMS 量級、5 倍RMS 量級和8 倍RMS 量級進(jìn)行橫向的隨機(jī)功能振動試驗(yàn)，具體試驗(yàn)條件如表3 所示，隨機(jī)功能振動試驗(yàn)ASD 頻譜如圖3 所示。其中單元制動機(jī)質(zhì)量為110 kg，起始頻率f1=250/110*2=4.54 Hz，終止頻率f2=250/110*100=227.3 Hz。

圖3 隨機(jī)功能振動試驗(yàn)ASD 頻譜

表3 隨機(jī)功能振動試驗(yàn)條件

兩種單元制動機(jī)在緩解狀態(tài)，按照標(biāo)準(zhǔn)以5 倍和8倍RMS 量級進(jìn)行橫向隨機(jī)功能振動試驗(yàn)時(shí)，多次重現(xiàn)閘片間隙變小的故障現(xiàn)象。

2.4 故障分析

經(jīng)過對故障單元制動機(jī)的疲勞測試和振動試驗(yàn)臺上復(fù)現(xiàn)的故障現(xiàn)象，認(rèn)定故障原因?yàn)閱卧苿訖C(jī)在制動緩解狀態(tài)下，在列車高速運(yùn)行的振動環(huán)境中，閘調(diào)器機(jī)構(gòu)的內(nèi)部組件在受到外部列車橫向作用力時(shí)（如過彎道和道岔時(shí)，車輪相對構(gòu)架發(fā)生橫向運(yùn)動，或車輛高速運(yùn)行時(shí)車輛的蛇形運(yùn)動，車輪制動盤擠壓閘片，將力傳遞到閘調(diào)器機(jī)構(gòu)），閘調(diào)器的離合齒彈簧組件（如圖4 圈A和圈B 所示部位）在橫向受力的動態(tài)過程中發(fā)生瞬間接觸不牢，造成跳齒現(xiàn)象[3]。離合齒彈簧組件的跳齒現(xiàn)象導(dǎo)致絲桿（2）和螺母（9 和1）之間發(fā)生旋轉(zhuǎn)和位移，閘片間隙被調(diào)小。

圖4 閘調(diào)器機(jī)構(gòu)剖面圖

通過對故障現(xiàn)象模擬重現(xiàn)，故障現(xiàn)象主要有以下兩種情況：

（1）在受列車橫向振動力作用情況下，自動調(diào)節(jié)螺母（1）和絲桿（2）之間的離合齒發(fā)生跳齒，絲桿旋轉(zhuǎn)的同時(shí)向外移動，造成閘片間隙變小。該過程和手動旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母將間隙調(diào)小的過程相同。

（2）在受列車橫向振動力作用情況下，間隙調(diào)節(jié)器（6）和自動調(diào)節(jié)螺母（9）之間的離合齒發(fā)生跳齒，自動調(diào)節(jié)螺母（9）發(fā)生旋轉(zhuǎn)，絲桿（2）向外移動，造成閘片間隙變小。

3 優(yōu)化措施

通過對故障現(xiàn)象模擬重現(xiàn)情況的分析，提出以下優(yōu)化方案和措施，可提高閘調(diào)器組件抗列車橫向振動沖擊的能力。

（1）修改墊圈（13），將其作用在杠桿的點(diǎn)從圖4的D 加粗部位改到C 加粗部位。彈簧（14）的作用力將作用在C 加粗部位，提高了自動調(diào)節(jié)螺母（1）和絲桿（2）之間的離合齒接觸力。

（2）修改復(fù)位彈簧（11）的作用力參數(shù)，將其由525 N 提高到640 N。

（3）修改間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)彈簧（12）的作用力參數(shù)，將其由315 N 提高至380 N。

該優(yōu)化方案在振動試驗(yàn)臺上模擬工況下效果良好，故障單元制動機(jī)的抗橫向振動能力，從IEC61373 中隨機(jī)功能振動RMS 標(biāo)準(zhǔn)值的4 倍，提高至5 倍以上。

選取4 個(gè)近期檢修發(fā)現(xiàn)閘片間隙變小的故障單元制動機(jī)，按照上述優(yōu)化方案對其升級，升級后按照出廠例行試驗(yàn)完成功能和參數(shù)測試，裝一列車跟蹤觀察故障單元制動機(jī)的閘片間隙，跟蹤記錄表如下：

表4 閘片間隙跟蹤記錄表

4 結(jié)論

通過對故障單元制動機(jī)的一系列分析與試驗(yàn)，找出閘片異常磨耗的根本原因，分析重現(xiàn)的故障現(xiàn)象制定整改措施。該措施在振動試驗(yàn)臺上模擬工況的效果良好，經(jīng)過幾個(gè)月的正線運(yùn)營應(yīng)用，優(yōu)化后的故障單元制動機(jī)閘片與制動盤雙邊總間隙均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，未再出現(xiàn)異常。