赵 未 许分清

(南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司 江苏 南京 210031)

0 引言

国内多条低地板有轨电车项目在运营过程中均频繁出现刮雨器无法正常工作的故障，导致列车下线，而采用相同供应商产品的地铁项目却极少出现刮雨器故障。下文对二者故障率存在明显差异的原因进行了分析，针对各类故障提出了解决方案并进行验证。

1 城轨列车刮雨器的工作原理

刮雨器安装于列车司机室挡风玻璃前端，主要作用即为对挡风玻璃进行清洁，保证驾驶员的视野始终清晰。

刮雨器通常由电机、曲柄、连杆、输出轴、刮臂、刮片组成，如图1所示。

图1 刮雨器组成

电机输出的动力经由曲柄、连杆传递至输出轴，输出轴来回转动带动刮臂作往复运动，通过安装于刮臂上的刮片与玻璃之间的摩擦而达到清洁玻璃的目的[1]。

2 低地板有轨电车刮雨器故障分析

2.1 刮雨器故障分类

通过对所有低地板有轨电车刮雨器故障的统计，主要的故障为以下6种：

(1)刮雨器电机内部进水烧毁，导致刮雨器空气开关跳开；

(2)刮雨器无法停止工作；

(3)刮雨器电机不工作；

(4)刮雨器连杆与曲柄连接处断裂；

(5)刮雨器电机与曲柄连接处磨损严重，导致刮臂不动作；

(6)刮臂出现裂纹或断裂情况。

2.2 故障现象分析

对以上几种故障现象的故障件进行拆解检查：

(1)将烧毁的刮雨器电机进行拆解，发现转子线圈有明显进水短路痕迹，定子底部内部有小水珠留存，确定渗水位置为电机定子壳体与减速器壳体接缝及紧固螺栓处，如图2所示。说明电机的定子壳体与减速器壳体接缝处密封性不足，导致雨水进入电机内部。

图2 电机进水处

(2)刮雨器电机回到停止位是依靠凸轮位置改变引起回位开关的通断变化来实现，如果电机无法停止工作，通常是由于其内部复位开关出现故障。

对故障电机的复位开关进行检查，发现两个问题：一是其触点上有大量灰尘覆盖及明显氧化现象，导致其接触电阻增大，偶发接触不良；二是复位开关转轴明显生锈，导致触点动作不到位，如图3所示。

图3 复位开关问题

这两种故障现象同样与电机密封性差，导致外部灰尘与水汽由复位开关保护盖的进线和接缝处进入电机有关。

(3)如图4所示，对通电后不动作的电机进行拆解，发现刷卧内有灰尘，碳刷与换向器之间有轻微间隙，但碳刷后部的压紧弹簧处于压缩状态，稍用力触碰碳刷后，弹簧将碳刷向前推动与换向器贴紧。说明刷卧内由于灰尘的进入而导致碳刷与刷卧间摩擦力变大，碳刷运动不畅，经磨耗变短而与换向器接触不良。

图4 碳刷问题

(4)连杆与曲柄连接处依靠卡簧片固定，如图5所示，出现断裂现象的刮雨器，该处的卡簧均变形或断裂，说明卡簧的强度不足。

图5 卡簧问题

(5)曲柄与电机减速器的转动轴连接，起到将电机转动力向后传递至连杆的作用，通常与电机轴采用夹紧式齿轮啮合配合。如图6所示，对拆下的电机和曲柄齿面进行检查，曲柄内齿磨损比较严重，有的已经基本磨平，失去啮合作用，说明曲柄的硬度无法长时间承受能够带动刮臂摆动的动力。

图6 曲柄问题

(6)刮臂断裂情况分两种，一种为在刮臂由粗变细的交接处断裂，另一种为刮臂底部铆接处铆钉断裂或铆接孔开裂，如图7所示。

刮臂断裂处均为应力比较集中的地方，说明其设计强度不足，需要加强。

图7 刮臂断裂

2.3 故障原因总结

综合以上故障现象的分析，可以总结出导致上述故障的原因有以下两点：

(1)刮雨器电机的密封性能无法满足低地板有轨电车的工作环境，电机内进水进灰现象十分严重。进一步对低地板有轨电车和地铁刮雨器电机安装方式进行分析，导致这种现象出现的原因如下：

低地板有轨电车的刮雨器电机结构和安装方式均与地铁车辆类似，安装于司机室面罩的后部，但是不同之处在于地铁车辆司机室面罩后部处于司机室内，与外部环境隔绝，而低地板有轨电车的司机室面罩后部处于司机室下方，为露天环境，长期暴露于雨水和灰尘中，工况十分恶劣，如图8所示。由于在设计初未考虑到工作环境的变化，导致电机的防水防尘性能均无法满足使用要求。

图8 刮雨器安装位置

(2)刮雨器刮臂摆动过程中因惯性和重力产生的力远超过刮臂以及动力传动装置连接处的承受力。结合有轨电车和地铁车辆刮雨器的特点进一步分析，由于有轨电车刮雨器均为下部中置式安装，故选择同样采用下部中置式安装的地铁车辆进行对比分析。

地铁列车的挡风玻璃面积和弧度都比较小，刮雨器工作时刮臂的运动轨迹基本就是横向来回摆动，刮臂长度通常在870 mm左右，刮片长度800 mm左右，左右刮刷角度达80°左右即可满足刮刷至少80%视野面积的设计要求[2]，如图9所示。

图9 地铁车辆刮雨器相关参数

低地板有轨电车作为新兴的城轨列车类型，外观设计比较激进，挡风玻璃采用了超大面积的弧面玻璃，导致刮雨器工作时，刮臂的运动轨迹不仅有横向的摆动，还有一定弧度的纵向运动。经过实测，几个有轨电车项目的刮臂的长度均值为1 100 mm，刮片长度均值为1 000 mm，左右刮刷角度均值为86°，几乎都为城轨列车刮雨器设计要求的最高值[2]，如图10所示。

图10 刮雨器参数对比

低地板有轨电车更大的刮刷角度和更长的刮臂长度产生了更大的摆动力，更长的刮片产生了更大的摩擦力，再加上雨刷摆动过程中的弧面运动，导致在换向时，刮臂和传动装置连接处的受力情况比在地铁车辆上严峻，在相同的材料强度下，各个受力零部件的寿命会明显下降，刮臂疲劳断裂和曲柄内齿磨损的故障便是具体表现。

3 解决方案

根据上述的原因分析，制定相应解决方案如下：

(1)对电机密封性能进行改进(见图11)，使其满足露天环境使用要求，避免进水进灰问题导致的电机烧毁、复位开关触点氧化和转轴生锈问题，具体内容有：①重新设计复位开关保护盖，将其由橡胶材质改为铸铝材质；②增加保护盖固定螺栓数量，使外壳受力均匀；③在保护盖下方增加密封硅胶垫，进线处采用打胶密封方式密封；④在定子壳体与减速器壳体接缝处使用防水胶带填充间隙[3]；⑤将定子壳体与减速器壳体之间的固定螺栓打胶密封。

(2)将复位开关由触点常开式改为使用紫铜合金材质的圆盘摩擦常开式，改善复位开关的耐磨性和接触效果[3]。

(3)稍稍缩减碳刷宽度，增大碳刷与刷卧的间隙，使其在轻微进灰情况下仍能够在刷卧中自由顺畅地移动，确保与换向器的良好接触。

(4)原卡簧材质强度不足，更换为更高强度的碳钢材质。

图11 电机密封性改进

(5)原曲柄为45#钢型材直接机械加工成型，未经锻压，密度小，刚性不足，现改变其加工工艺，首先将钢型材锻压毛坯，提高密度，再机械加工成型，并加深锯齿深度，然后对齿面进行淬火处理，增加其硬度，提高机械强度，避免锯齿磨损问题。

(6)将刮臂铆钉由6 mm改为8 mm；增加铆接孔周围及由粗转细部分的材质厚度，并在刮臂两侧增加2 mm的增强垫片，全面提高其各部位的强度，避免疲劳断裂问题。

(7)缩短曲柄长度，由此将刮刷角度由86°降至72°，降低刮臂和连接件在运动中承受的换向力，实测调整后依旧满足80%的视野刮刷要求。

整改后的新型电机、卡簧、曲柄以及刮臂首先进行了200万次的耐久性试验，在现场试装后，通过3个月的运营，未出现前述的故障，证明整改方案效果良好。

4 结论

通过对低地板有轨电车刮雨器故障的细致分析，从设计角度出发得出了低地板有轨电车与地铁车辆在刮雨器的故障率上截然不同的原因，针对有轨电车的实际使用工况，制定了解决电机密封性、改善复位开关可靠性、提高碳刷灵活度、增强刮臂和传动部件强度以及减少刮刷角度的解决方案，并且通过耐久性测试和实际装车试验，验证了整改方案的有效性。分析的结果和改进措施对后续低地板有轨电车刮雨器的设计及选型具有良好的参考意义。