趙 未 許分清

(南京中車(chē)浦鎮(zhèn)城軌車(chē)輛有限責(zé)任公司 江蘇 南京 210031)

0 引言

國(guó)內(nèi)多條低地板有軌電車(chē)項(xiàng)目在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中均頻繁出現(xiàn)刮雨器無(wú)法正常工作的故障，導(dǎo)致列車(chē)下線(xiàn)，而采用相同供應(yīng)商產(chǎn)品的地鐵項(xiàng)目卻極少出現(xiàn)刮雨器故障。下文對(duì)二者故障率存在明顯差異的原因進(jìn)行了分析，針對(duì)各類(lèi)故障提出了解決方案并進(jìn)行驗(yàn)證。

1 城軌列車(chē)刮雨器的工作原理

刮雨器安裝于列車(chē)司機(jī)室擋風(fēng)玻璃前端，主要作用即為對(duì)擋風(fēng)玻璃進(jìn)行清潔，保證駕駛員的視野始終清晰。

刮雨器通常由電機(jī)、曲柄、連桿、輸出軸、刮臂、刮片組成，如圖1所示。

圖1 刮雨器組成

電機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)由曲柄、連桿傳遞至輸出軸，輸出軸來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)刮臂作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)安裝于刮臂上的刮片與玻璃之間的摩擦而達(dá)到清潔玻璃的目的[1]。

2 低地板有軌電車(chē)刮雨器故障分析

2.1 刮雨器故障分類(lèi)

通過(guò)對(duì)所有低地板有軌電車(chē)刮雨器故障的統(tǒng)計(jì)，主要的故障為以下6種：

(1)刮雨器電機(jī)內(nèi)部進(jìn)水燒毀，導(dǎo)致刮雨器空氣開(kāi)關(guān)跳開(kāi)；

(2)刮雨器無(wú)法停止工作；

(3)刮雨器電機(jī)不工作；

(4)刮雨器連桿與曲柄連接處斷裂；

(5)刮雨器電機(jī)與曲柄連接處磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致刮臂不動(dòng)作；

(6)刮臂出現(xiàn)裂紋或斷裂情況。

2.2 故障現(xiàn)象分析

對(duì)以上幾種故障現(xiàn)象的故障件進(jìn)行拆解檢查：

(1)將燒毀的刮雨器電機(jī)進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈有明顯進(jìn)水短路痕跡，定子底部?jī)?nèi)部有小水珠留存，確定滲水位置為電機(jī)定子殼體與減速器殼體接縫及緊固螺栓處，如圖2所示。說(shuō)明電機(jī)的定子殼體與減速器殼體接縫處密封性不足，導(dǎo)致雨水進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部。

圖2 電機(jī)進(jìn)水處

(2)刮雨器電機(jī)回到停止位是依靠凸輪位置改變引起回位開(kāi)關(guān)的通斷變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果電機(jī)無(wú)法停止工作，通常是由于其內(nèi)部復(fù)位開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障。

對(duì)故障電機(jī)的復(fù)位開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：一是其觸點(diǎn)上有大量灰塵覆蓋及明顯氧化現(xiàn)象，導(dǎo)致其接觸電阻增大，偶發(fā)接觸不良；二是復(fù)位開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)軸明顯生銹，導(dǎo)致觸點(diǎn)動(dòng)作不到位，如圖3所示。

圖3 復(fù)位開(kāi)關(guān)問(wèn)題

這兩種故障現(xiàn)象同樣與電機(jī)密封性差，導(dǎo)致外部灰塵與水汽由復(fù)位開(kāi)關(guān)保護(hù)蓋的進(jìn)線(xiàn)和接縫處進(jìn)入電機(jī)有關(guān)。

(3)如圖4所示，對(duì)通電后不動(dòng)作的電機(jī)進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)刷臥內(nèi)有灰塵，碳刷與換向器之間有輕微間隙，但碳刷后部的壓緊彈簧處于壓縮狀態(tài)，稍用力觸碰碳刷后，彈簧將碳刷向前推動(dòng)與換向器貼緊。說(shuō)明刷臥內(nèi)由于灰塵的進(jìn)入而導(dǎo)致碳刷與刷臥間摩擦力變大，碳刷運(yùn)動(dòng)不暢，經(jīng)磨耗變短而與換向器接觸不良。

圖4 碳刷問(wèn)題

(4)連桿與曲柄連接處依靠卡簧片固定，如圖5所示，出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象的刮雨器，該處的卡簧均變形或斷裂，說(shuō)明卡簧的強(qiáng)度不足。

圖5 卡簧問(wèn)題

(5)曲柄與電機(jī)減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，起到將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力向后傳遞至連桿的作用，通常與電機(jī)軸采用夾緊式齒輪嚙合配合。如圖6所示，對(duì)拆下的電機(jī)和曲柄齒面進(jìn)行檢查，曲柄內(nèi)齒磨損比較嚴(yán)重，有的已經(jīng)基本磨平，失去嚙合作用，說(shuō)明曲柄的硬度無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間承受能夠帶動(dòng)刮臂擺動(dòng)的動(dòng)力。

圖6 曲柄問(wèn)題

(6)刮臂斷裂情況分兩種，一種為在刮臂由粗變細(xì)的交接處斷裂，另一種為刮臂底部鉚接處鉚釘斷裂或鉚接孔開(kāi)裂，如圖7所示。

刮臂斷裂處均為應(yīng)力比較集中的地方，說(shuō)明其設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，需要加強(qiáng)。

圖7 刮臂斷裂

2.3 故障原因總結(jié)

綜合以上故障現(xiàn)象的分析，可以總結(jié)出導(dǎo)致上述故障的原因有以下兩點(diǎn)：

(1)刮雨器電機(jī)的密封性能無(wú)法滿(mǎn)足低地板有軌電車(chē)的工作環(huán)境，電機(jī)內(nèi)進(jìn)水進(jìn)灰現(xiàn)象十分嚴(yán)重。進(jìn)一步對(duì)低地板有軌電車(chē)和地鐵刮雨器電機(jī)安裝方式進(jìn)行分析，導(dǎo)致這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因如下：

低地板有軌電車(chē)的刮雨器電機(jī)結(jié)構(gòu)和安裝方式均與地鐵車(chē)輛類(lèi)似，安裝于司機(jī)室面罩的后部，但是不同之處在于地鐵車(chē)輛司機(jī)室面罩后部處于司機(jī)室內(nèi)，與外部環(huán)境隔絕，而低地板有軌電車(chē)的司機(jī)室面罩后部處于司機(jī)室下方，為露天環(huán)境，長(zhǎng)期暴露于雨水和灰塵中，工況十分惡劣，如圖8所示。由于在設(shè)計(jì)初未考慮到工作環(huán)境的變化，導(dǎo)致電機(jī)的防水防塵性能均無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。

圖8 刮雨器安裝位置

(2)刮雨器刮臂擺動(dòng)過(guò)程中因慣性和重力產(chǎn)生的力遠(yuǎn)超過(guò)刮臂以及動(dòng)力傳動(dòng)裝置連接處的承受力。結(jié)合有軌電車(chē)和地鐵車(chē)輛刮雨器的特點(diǎn)進(jìn)一步分析，由于有軌電車(chē)刮雨器均為下部中置式安裝，故選擇同樣采用下部中置式安裝的地鐵車(chē)輛進(jìn)行對(duì)比分析。

地鐵列車(chē)的擋風(fēng)玻璃面積和弧度都比較小，刮雨器工作時(shí)刮臂的運(yùn)動(dòng)軌跡基本就是橫向來(lái)回?cái)[動(dòng)，刮臂長(zhǎng)度通常在870 mm左右，刮片長(zhǎng)度800 mm左右，左右刮刷角度達(dá)80°左右即可滿(mǎn)足刮刷至少80%視野面積的設(shè)計(jì)要求[2]，如圖9所示。

圖9 地鐵車(chē)輛刮雨器相關(guān)參數(shù)

低地板有軌電車(chē)作為新興的城軌列車(chē)類(lèi)型，外觀(guān)設(shè)計(jì)比較激進(jìn)，擋風(fēng)玻璃采用了超大面積的弧面玻璃，導(dǎo)致刮雨器工作時(shí)，刮臂的運(yùn)動(dòng)軌跡不僅有橫向的擺動(dòng)，還有一定弧度的縱向運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，幾個(gè)有軌電車(chē)項(xiàng)目的刮臂的長(zhǎng)度均值為1 100 mm，刮片長(zhǎng)度均值為1 000 mm，左右刮刷角度均值為86°，幾乎都為城軌列車(chē)刮雨器設(shè)計(jì)要求的最高值[2]，如圖10所示。

圖10 刮雨器參數(shù)對(duì)比

低地板有軌電車(chē)更大的刮刷角度和更長(zhǎng)的刮臂長(zhǎng)度產(chǎn)生了更大的擺動(dòng)力，更長(zhǎng)的刮片產(chǎn)生了更大的摩擦力，再加上雨刷擺動(dòng)過(guò)程中的弧面運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致在換向時(shí)，刮臂和傳動(dòng)裝置連接處的受力情況比在地鐵車(chē)輛上嚴(yán)峻，在相同的材料強(qiáng)度下，各個(gè)受力零部件的壽命會(huì)明顯下降，刮臂疲勞斷裂和曲柄內(nèi)齒磨損的故障便是具體表現(xiàn)。

3 解決方案

根據(jù)上述的原因分析，制定相應(yīng)解決方案如下：

(1)對(duì)電機(jī)密封性能進(jìn)行改進(jìn)(見(jiàn)圖11)，使其滿(mǎn)足露天環(huán)境使用要求，避免進(jìn)水進(jìn)灰問(wèn)題導(dǎo)致的電機(jī)燒毀、復(fù)位開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)氧化和轉(zhuǎn)軸生銹問(wèn)題，具體內(nèi)容有：①重新設(shè)計(jì)復(fù)位開(kāi)關(guān)保護(hù)蓋，將其由橡膠材質(zhì)改為鑄鋁材質(zhì)；②增加保護(hù)蓋固定螺栓數(shù)量，使外殼受力均勻；③在保護(hù)蓋下方增加密封硅膠墊，進(jìn)線(xiàn)處采用打膠密封方式密封；④在定子殼體與減速器殼體接縫處使用防水膠帶填充間隙[3]；⑤將定子殼體與減速器殼體之間的固定螺栓打膠密封。

(2)將復(fù)位開(kāi)關(guān)由觸點(diǎn)常開(kāi)式改為使用紫銅合金材質(zhì)的圓盤(pán)摩擦常開(kāi)式，改善復(fù)位開(kāi)關(guān)的耐磨性和接觸效果[3]。

(3)稍稍縮減碳刷寬度，增大碳刷與刷臥的間隙，使其在輕微進(jìn)灰情況下仍能夠在刷臥中自由順暢地移動(dòng)，確保與換向器的良好接觸。

(4)原卡簧材質(zhì)強(qiáng)度不足，更換為更高強(qiáng)度的碳鋼材質(zhì)。

圖11 電機(jī)密封性改進(jìn)

(5)原曲柄為45#鋼型材直接機(jī)械加工成型，未經(jīng)鍛壓，密度小，剛性不足，現(xiàn)改變其加工工藝，首先將鋼型材鍛壓毛坯，提高密度，再機(jī)械加工成型，并加深鋸齒深度，然后對(duì)齒面進(jìn)行淬火處理，增加其硬度，提高機(jī)械強(qiáng)度，避免鋸齒磨損問(wèn)題。

(6)將刮臂鉚釘由6 mm改為8 mm；增加鉚接孔周?chē)坝纱洲D(zhuǎn)細(xì)部分的材質(zhì)厚度，并在刮臂兩側(cè)增加2 mm的增強(qiáng)墊片，全面提高其各部位的強(qiáng)度，避免疲勞斷裂問(wèn)題。

(7)縮短曲柄長(zhǎng)度，由此將刮刷角度由86°降至72°，降低刮臂和連接件在運(yùn)動(dòng)中承受的換向力，實(shí)測(cè)調(diào)整后依舊滿(mǎn)足80%的視野刮刷要求。

整改后的新型電機(jī)、卡簧、曲柄以及刮臂首先進(jìn)行了200萬(wàn)次的耐久性試驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)試裝后，通過(guò)3個(gè)月的運(yùn)營(yíng)，未出現(xiàn)前述的故障，證明整改方案效果良好。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)低地板有軌電車(chē)刮雨器故障的細(xì)致分析，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)得出了低地板有軌電車(chē)與地鐵車(chē)輛在刮雨器的故障率上截然不同的原因，針對(duì)有軌電車(chē)的實(shí)際使用工況，制定了解決電機(jī)密封性、改善復(fù)位開(kāi)關(guān)可靠性、提高碳刷靈活度、增強(qiáng)刮臂和傳動(dòng)部件強(qiáng)度以及減少刮刷角度的解決方案，并且通過(guò)耐久性測(cè)試和實(shí)際裝車(chē)試驗(yàn)，驗(yàn)證了整改方案的有效性。分析的結(jié)果和改進(jìn)措施對(duì)后續(xù)低地板有軌電車(chē)刮雨器的設(shè)計(jì)及選型具有良好的參考意義。