孟 飛，戴源廷，田云峰，魏志恒

（1.呼和浩特市城市軌道交通建設(shè)管理有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城市軌道交通中心，北京 100081）

1 引言

2011 年某地鐵線路車輛開始批量使用彈性體型車鉤緩沖裝置，該裝置能夠?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄜ囕v傳遞牽引力和制動力，緩和列車在運(yùn)行中所產(chǎn)生的縱向沖擊，提高車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和舒適性，并且具有一定的轉(zhuǎn)動功能，可使車輛順利通過曲線。該裝置在運(yùn)營中出現(xiàn)車鉤緩沖失效、沖撞故障，本文結(jié)合車鉤緩沖裝置的實(shí)際工況分析故障發(fā)生原因，并通過試驗(yàn)及理論計算，確定極限工況下車鉤緩沖裝置的最大工作行程，對應(yīng)制定車鉤緩沖裝置失效檢修標(biāo)準(zhǔn)，可在不分解車鉤的情況下用最小成本篩查出存在安全隱患的車鉤緩沖裝置。

2 彈性體型車鉤緩沖裝置

2.1 基本特性

某地鐵線路6 輛編組（4 動2 拖）車輛車鉤具體配置方案如圖1 所示，Tc 為有司機(jī)室的拖車；M 為無司機(jī)室的動車；C 為頭車半自動車鉤緩沖裝置；B 為中間車帶彈性體型緩沖器半永久車鉤緩沖裝置；A 為中間車帶壓潰管半永久車鉤緩沖裝置。

圖1 車鉤配置方案

頭車半自動車鉤緩沖裝置為保證車組之間的機(jī)械連接和風(fēng)路的自動連接、分離，采用密接式連掛系統(tǒng)、安裝吊掛及緊湊式彈性體型緩沖系統(tǒng)、壓潰管裝置和過載保護(hù)裝置組合的配置。中間車鉤采用半永久車鉤緩沖裝置，分為帶緩沖器半永久車鉤緩沖裝置和帶壓潰管半永久車鉤緩沖裝置，用于列車編組內(nèi)部兩車之間的連接，2 種半永久車鉤緩沖裝置成對使用。帶彈性體型緩沖器半永久車鉤緩沖裝置（以下簡稱“彈性體型車鉤緩沖裝置”）結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要包括緩沖裝置和安裝吊掛系統(tǒng)2 部分。頭部帶有凸錐的連接環(huán)與帶壓潰管半永久車鉤緩沖裝置連接。頭部集成了直通式的總風(fēng)管連接器，可以在連接車鉤緩沖裝置的同時完成列車內(nèi)部風(fēng)路的連接。

圖2 彈性體型車鉤緩沖裝置（單位：mm）

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

彈性體型緩沖器不同工況下的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 彈性體型緩沖器主要技術(shù)參數(shù)

2.3 緩沖原理

彈性體型車鉤緩沖裝置具有適當(dāng)?shù)某鯄毫Α⑤^低的剛度和良好的阻尼特性，可以很好地吸收列車正常牽引、制動工況下產(chǎn)生的沖擊能量，減少車輛縱向振動和沖擊，提高車輛的乘坐舒適度，同時保護(hù)車輛不受大的沖擊力而損壞。彈性體型車鉤緩沖裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由外拉桿、內(nèi)拉桿、端蓋、前端隔板、彈性體型緩沖器、限位螺母、殼體等部件組成。

圖3 彈性體型車鉤緩沖裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

車鉤緩沖裝置受壓縮時，壓力傳遞的順序依次為：外拉桿、前端隔板、彈性體型緩沖器、后端隔板、殼體，再通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將車體間制動力傳遞到車體上。

車鉤緩沖裝置受拉伸時，拉力傳遞的順序依次為：外拉桿、內(nèi)拉桿、后端隔板、彈性體型緩沖器、前端隔板、端蓋、殼體，再通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將車體間牽引力傳遞到車體上[1-2]。

3 故障現(xiàn)象

3.1 故障概述

2018 年4 月，一列使用彈性體型車鉤緩沖裝置的城市軌道交通列車在牽引工況下，1#列車與2#列車之間出現(xiàn)嚴(yán)重的沖撞感，并伴隨較大的異聲，對乘客造成了一定的恐慌，為避免擴(kuò)大影響，當(dāng)值乘務(wù)員申請?zhí)崆敖Y(jié)束運(yùn)營。

列車回庫后檢查發(fā)現(xiàn)：1#列車與2#列車間的彈性體型車鉤緩沖裝置外拉桿相對殼體存在約70 mm 的空行程，如圖4所示，徒手可拉動外拉桿，緩沖裝置已基本無阻尼特性，且外拉桿相對殼體可進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)。

3.2 受力分析

正常狀態(tài)的車鉤緩沖裝置內(nèi)部存在一定的初壓力，在自由狀態(tài)下其內(nèi)部彈簧組處于輕微受壓狀態(tài)，故外拉桿相對殼體發(fā)生軸向位移時需要較大的力，且車鉤緩沖裝置內(nèi)部存在防轉(zhuǎn)銷，不應(yīng)出現(xiàn)外拉桿可360°轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，故判定車鉤緩沖裝置內(nèi)部狀態(tài)存在異常。

4 緩沖裝置故障分析

4.1 故障原因判斷

由于故障車鉤緩沖裝置徒手即可使外拉桿發(fā)生相對運(yùn)動，不符合正常狀態(tài)下車鉤緩沖裝置的力-位移曲線特性，可判定其拉伸工況下的緩沖減振功能已失效，故對其進(jìn)行分解檢查，內(nèi)部狀態(tài)如圖5 所示。

圖5 故障車鉤緩沖裝置內(nèi)部輔助螺母松動情況

結(jié)合該車鉤緩沖裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（圖3）可知：從限位螺母方向看外拉桿內(nèi)部，可見防松螺栓、防轉(zhuǎn)板已脫離防松位置，取出防松螺栓組件，可見輔助螺母已從內(nèi)拉桿上脫落。

車鉤緩沖裝置內(nèi)拉桿防松螺栓位置螺紋狀態(tài)如圖6所示，檢查內(nèi)拉桿螺紋部分可見安裝防松螺栓處螺紋存在局部變形、螺紋拉絲以及防松螺栓旋入深度不足的情況。

圖6 車鉤緩沖裝置內(nèi)拉桿防松螺栓位置螺紋狀態(tài)

根據(jù)內(nèi)拉桿螺紋與防松螺栓旋入深度不足（螺紋端部發(fā)生拉絲）這一現(xiàn)象，將輔助螺母重新擰回內(nèi)拉桿，以復(fù)原組裝時的情形，如圖7 所示。可見，組裝時輔助螺母沒有擰緊到位，不符合車鉤緩沖裝置維修工藝：輔助螺母的凹槽底面與內(nèi)拉桿的端面齊平的組裝要求。

圖7 防松螺栓組裝復(fù)原后狀態(tài)

綜上，故障原因可判斷為由于輔助螺母在外拉桿內(nèi)部不易觀察導(dǎo)致未擰緊到位，造成其凹槽的端面高于內(nèi)拉桿端面，進(jìn)而導(dǎo)致防松螺栓的旋合長度不足。在車輛運(yùn)用、振動等工況下，內(nèi)拉桿與防松螺栓實(shí)際發(fā)生旋合位置的螺紋破壞，造成防松失效，從而發(fā)生輔助螺母松動、脫落，使車鉤緩沖裝置產(chǎn)生超過正常值的工作行程。

4.2 失效評估

在輔助螺母脫落的狀態(tài)下：車鉤緩沖裝置受壓縮力時，其內(nèi)部的傳力模式與無故障時一致；車鉤緩沖裝置受拉伸力時，車鉤緩沖裝置內(nèi)部受力情況為：外拉桿和限位螺母將拉伸作用力直接作用于端蓋上，端蓋通過螺紋連接將拉伸作用力傳遞到殼體上，彈性體彈簧組未發(fā)揮作用。因此，在拉伸工況下車鉤緩沖裝置會存在一段空行程，且無緩沖效果。

為評估輔助螺母脫落后，拉伸工況下車鉤緩沖失效故障的嚴(yán)重程度，通過對比車體間可發(fā)生的最大拉力和輔助螺母脫落后車鉤緩沖裝置內(nèi)部承力的螺紋連接機(jī)構(gòu)可承受的最小抗拉強(qiáng)度，對車鉤緩沖裝置在極限工況下的安全性能進(jìn)行評估，以判定車鉤緩沖裝置是否存在被拉斷的風(fēng)險。

列車間可發(fā)生的最大拉力F1與單節(jié)列車滿載后的最大質(zhì)量m（單節(jié)列車質(zhì)量36 500 kg +單節(jié)最大載客量 310 人×60 kg/人=55 100 kg）和車輛最大啟動加速度a有關(guān)，即：

外拉桿和限位螺母通過螺紋連接組成的機(jī)構(gòu)在承受工作載荷之前，螺栓不受力。輔助螺母脫落后，車鉤緩沖裝置所受牽引力完全由外拉桿與限位螺母的螺紋連接機(jī)構(gòu)承擔(dān)，根據(jù)限位螺母的螺紋應(yīng)力截面積以及外拉桿的抗拉強(qiáng)度[3-4]，可計算出該位置可承受的最小拉力載荷F2，即：

式（2）中，AS為外拉桿螺紋的應(yīng)力截面積，mm2；Rm為抗拉強(qiáng)度，MPa；SS為安全系數(shù)；d為外拉桿螺紋基本尺寸（M90×3-7H，旋合長度為29.5 mm）；r為外拉桿空心直徑（56.25 mm）。

對比發(fā)現(xiàn)，列車間可發(fā)生的最大拉力F1=55.1 kN小于外拉桿與限位螺母螺紋連接機(jī)構(gòu)可承受的最小拉力載荷F2=421.759 kN，即當(dāng)輔助螺母完全脫落后，外拉桿內(nèi)部的螺紋限位機(jī)構(gòu)仍可承受車體間發(fā)生的最大拉力，車鉤緩沖裝置拉伸時會存在空行程，拉伸方向的緩沖功能喪失，但不存在被拉斷的風(fēng)險，仍有約7.65 倍的安全裕量。

結(jié)合輔助螺母失效后外拉桿與限位螺母螺紋連接機(jī)構(gòu)可承受的最小拉力載荷值以及車鉤緩沖裝置設(shè)計單位意見，進(jìn)行極限工況下的車鉤緩沖裝置強(qiáng)度試驗(yàn)：在不安裝輔助螺母的情況下將車鉤緩沖裝置重新組裝復(fù)原，在試驗(yàn)臺上進(jìn)行拉力試驗(yàn)，試驗(yàn)加載載荷值為200 kN，反復(fù)拉伸6 次后結(jié)束，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 彈性體型緩沖器2 種工況下拉伸行程試驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

試驗(yàn)后解體檢查車鉤緩沖裝置內(nèi)部相關(guān)部件，未發(fā)生螺紋拉絲、零部件變形等異常情況，外拉桿與限位螺母螺紋連接位置狀態(tài)良好，說明該隱患對整車的影響在可控范圍內(nèi)。

4.3 制定檢修標(biāo)準(zhǔn)

通過理論計算及試驗(yàn)驗(yàn)證確認(rèn)：雖然該隱患不會造成車輛解編等大事故的發(fā)生，但會造成車輛在牽引工況下舒適性降低。因此，為及時發(fā)現(xiàn)其余車鉤緩沖裝置內(nèi)部防松螺栓旋合長度不足的隱患，考慮通過制定緩沖器的工作行程標(biāo)準(zhǔn)來判定已裝車使用的車鉤緩沖裝置是否存在類似隱患。確定原則為：防松螺栓的防松作用有效，且輔助螺母尚未開始松動。在此條件下，緩沖器的行程由2 部分組成：一部分是防松螺栓未正常旋入的深度，另一部分是緩沖器的正常壓縮行程。

制定檢修標(biāo)準(zhǔn)：防松螺栓的旋合長度按圖紙要求為10 mm，結(jié)合螺栓尺寸及機(jī)械設(shè)計手冊可知其不發(fā)生松動的條件是旋入2 mm 以上，體現(xiàn)在緩沖器行程上是8 mm。結(jié)合列車型式試驗(yàn)結(jié)果可知，現(xiàn)車運(yùn)行中可發(fā)生的最大拉力值為54 kN，該拉伸載荷下緩沖器行程約為21 mm，兩者相加約29 mm?？紤]零件制造公差及安全裕量，故將自由狀態(tài)下車鉤緩沖裝置外拉桿相對殼體伸出量的檢修標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定為25 mm。

考慮到列車車體間制動指令響應(yīng)差異，車輛在停穩(wěn)后，車鉤緩沖裝置可能存在3 種工況：自由狀態(tài)、壓縮狀態(tài)、拉伸狀態(tài)。外拉桿伸出量檢修標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行需同時考慮以上狀態(tài)差異。由于車鉤緩沖裝置在靜止?fàn)顟B(tài)下連接環(huán)與車鉤殼體端面距離（圖8 中x位置）為定值122 mm，故x在拉伸狀態(tài)下的極值為122+25=147 mm，在壓縮狀態(tài)下的極值為122 -25=97 mm，綜上，半永久車鉤緩沖裝置外拉桿連接環(huán)端面距殼體端面長度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在97～147 mm。

圖8 車鉤緩沖裝置發(fā)生異常磨耗位置示意（單位：mm）

結(jié)合該檢修標(biāo)準(zhǔn)，在不分解車鉤緩沖裝置的基礎(chǔ)上，總計發(fā)現(xiàn)3 例外拉桿相對車鉤殼體伸出量不符合標(biāo)準(zhǔn)（97～147 mm）的車鉤緩沖裝置，通過解體檢查發(fā)現(xiàn)：均存在內(nèi)部防松螺栓旋合長度不足2 mm 的情況。該型車鉤緩沖裝置總計裝車使用105 套，分布在21 列車輛上，故障率約占裝車車鉤緩沖裝置總數(shù)的3.8%。

5 結(jié)論

（1）通過試驗(yàn)及理論計算可知，彈性體型車鉤緩沖裝置失效原因?yàn)榫S修過程中工藝落實(shí)不到位。

（2）通過對承力螺紋連接機(jī)構(gòu)強(qiáng)度校核，可知造成本次故障的工藝缺陷不會造成車鉤緩沖裝置拉斷，但會導(dǎo)致列車牽引工況下的車鉤緩沖失效，降低乘客舒適度。

（3）通過制定車鉤緩沖裝置工作行程的檢修標(biāo)準(zhǔn)，可有效篩查出存在失效隱患的車鉤，無需全部解體車鉤，降低了人力及車鉤分解、運(yùn)輸、維修等成本。