广州地铁踏面制动单元故障分析

引言

踏面制动单元安装于地铁车辆转向架上,是地铁车辆制动系统的重要组成部分,也是车辆制动作用的执行部件。通过向其制动缸内充入压缩空气促使活塞伸出,带动其内部机构推动闸瓦托出闸,使闸瓦托上的闸瓦与车轮踏面贴合,产生摩擦力,最终实施制动作用。

1故障现象

1.1闸瓦托"低头"

正常情况下,在制动缓解时,闸瓦托可以绕着其较接点(螺杆套筒)旋转,以适应在不同制动位置时闸瓦与车轮踏面的贴合度。在实际运行中发现,闸瓦托不能绕较接点转动,闸瓦托角度明显与车轮踏面不匹配,即产生闸瓦托上端间隙小、下端间隙大的"低头"现象,如图1所示。

1.2闸瓦间隙手动调整功能失效

正常情况下,踏面制动单元具有闸瓦间隙手动调整功能,即用扳手转动调节螺母,通过内部机构带动闸瓦托贴近或远离车轮踏面,以方便更换闸瓦及试验。在实际运行中,用扳手转动调节螺母,闸瓦托不运动,间隙未变,手动调整功能失效。

2结构原理

如图2所示,闸瓦托与丝杆头中间开孔,穿入螺杆套筒连接,闸瓦吊左右共设置两个叉臂,叉臂中间设孔,叉臂插入闸瓦托两侧端面对准孔后,螺杆依次穿过闸瓦吊一侧叉臂孔、螺杆套筒内孔、闸瓦吊另一侧叉臂孔,完成三者较接。闸瓦托内孔大于螺杆套筒外径,二者间隙配合,闸瓦托宽度小于螺杆套筒长度,即安装后螺杆套筒伸出闸瓦托左右端面,闸瓦吊2叉臂间宽度大于闸瓦托宽度。以上设计使得闸瓦吊2叉臂内侧实际上是与螺杆套筒左右端面顶住压紧,闸瓦托旋转自由度未受限,闸瓦托可绕着较接点(螺杆套筒)自由转动,使得闸瓦角度始终与车轮踏面匹配,闸瓦能均匀磨耗,延长使用寿命。

如图3所示,丝杆齿座与丝杆焊接,并通过端面齿与丝杆头啮合,丝杆头与闸瓦托较接,调节螺母与丝杆齿座通过螺纹连接,二者加装紧定螺钉防松,丝杆与踏面制动单元内部的螺母机构配合。用扳手转动调节螺母时,通过紧定螺钉及丝杆齿座带动丝杆绕着踏面制动单元内部的螺母机构旋转并左右移动(同时,丝杆齿座与丝杆头的端面齿配合也相对转动,会有齿啮合声),带动闸瓦托贴近或远离车轮踏面,即完成闸瓦间隙手动调整。

3故障分析

3.1闸瓦托"低头"

结合章节2所述,影响闸瓦托转动灵活度的因素主要集中在闸瓦托、闸瓦吊、丝杆头这三者形成的较接结构处,各零件的理论尺寸及空间位置能满足闸瓦托的旋转。为进行对比分析,选取一件闸瓦托转动良好的产品作为对比件,将故障件与对比件分别拆解,测量较接结构处相关零件的关键尺寸要素。相关测量结果如表1所示。

从表1可见,故障件的闸瓦托内孔直径及螺杆套筒外圆直径均在合格范围内,二者有0.26mm的间隙量,说明闸瓦托转动自由度未受限。理论上,螺杆套筒插入闸瓦托后应伸出其两端端面,伸出量最小值为[(83-0.1)-(82+0.2)]/2=0.35mm,实际上闸瓦托宽度及螺杆套筒宽度尺寸均超差,伸出量只有(82.78-82.67)/2=0.055mm,使得安装后,因为材料变形及表面油漆等因素影响,闸瓦吊叉臂两侧内端面并非完全与螺杆套筒顶住压紧,而是叉臂因为紧固扭矩的影响向内侧变形,同时压在闸瓦托两侧端面,致使闸瓦托转动受限。

为验证上述分析,重新组装故障件,螺杆不紧固,闸瓦托用手即可扳动且灵活转动,制动缓解时,闸瓦托角度始终与车轮踏面匹配,"低头"现象消除:将螺杆紧固至设计扭矩,紧固时明显看到闸瓦吊叉臂变形,叉臂与闸瓦托之间的微小缝隙消除,闸瓦吊叉臂压向闸瓦托,闸瓦托被完全限制,转动失效,缓解后上端间隙小、下端间隙大的"低头"现象再次出现。拆解故障件,换装对比件的螺杆套筒及闸瓦托,在螺杆紧固的过程中,闸瓦吊叉臂变形后压向螺杆套筒,因螺杆套筒长于闸瓦托宽度,紧固至规定扭矩后,闸瓦吊叉臂并未与闸瓦托接触,闸瓦托可灵活转动,"低头"现象消除。

3.2闸瓦间隙手动调整功能失效

正常情况下,制动时踏面制动单元通过内部机构将制动力传递至丝杆,再通过丝杆齿座与丝杆头的齿部将制动力传递给闸瓦托,二者之间的螺纹不传递制动力。

闸瓦间隙手动调整功能主要是通过图3的丝杆组件实现,将故障件的丝杆组件拆解,发现紧定螺钉及丝杆齿座均已断裂,丝杆齿座从调节螺母的内螺纹中旋出8mm,螺纹处未见螺纹胶,如图4所示。该距离已远大于端面齿啮合高度,致使端面齿脱离,所以手动调整时没有端面齿的啮合声。因紧定螺钉及丝杆齿座均已断裂,手动调整转动调节螺母时,作用力并不能传递至丝杆,此时只是调节螺母独自转动,而内部的丝杆并未转动,所以不能带动闸瓦托贴近或远离车轮踏面,闸瓦间隙手动调整功能失效。

通过材质化验,紧定螺钉的断裂是由于材料本身存在缺陷,且热处理时即出现细微初始裂纹并在使用中逐渐扩展等因素所致。紧定螺钉断裂后,调节螺母与丝杆齿座间仅依靠螺纹连接传递扭矩,在车辆运行振动时螺纹连接逐渐松动,这时手动调整转动调节螺母,丝杆受到内部螺母机构等的阻力而不一定随之转动,二者便会旋离,当旋离距离大于端面齿啮合高度后,端面齿啮合失效,制动时,端面齿部分不能再传递制动力,丝杆齿座通过螺纹连接将制动力传递给调节螺母,调节螺母通过轴肩推动丝杆头将制动力传递至闸瓦托,螺纹连接承受全部的制动力(大约28kN)。基于零件配合及装配空间考虑,丝杆齿座设计成空心薄壁一端带齿结构,外圆只能设置细牙螺纹与调节螺母连接,不能承受制动力,制动力只能通过端面齿传递。因端面齿啮合传动失效,薄壁上的细牙螺纹传递全部制动力,在多次制动后,因疲劳、结构强度等方面原因最终致使丝杆齿座断裂。

4改进措施

为预防闸瓦托"低头"及闸瓦间隙手动调整功能失效等故障的再次发生,主要制定了以下措施:

(1)优化闸瓦托较接结构的配合零部件尺寸及公差,提升容错空间:

(2)取消闸瓦托两侧端面及闸瓦吊吊臂内端面油漆要求,避免安装干涉:

(3)优化紧定螺钉热处理工艺:

(4)增加丝杆齿座与调节螺母螺纹连接的涂胶工序,避免松动:

(5)提升检验手段,增加重点要素的检验频次。

5结语

针对踏面制动单元的闸瓦托"低头"及闸瓦间隙手动调整功能失效等故障,在原因查清及改进措施实施后,后续批量生产的产品并未出现上述故障,有效消除了质量隐患,提升了产品质量。