城市轨道交通车辆转向架踏面制动单元闸瓦吊销轴松脱故障原因分析及优化

2022-08-23甄文通褚洪菲刘顾同

城市轨道交通研究 2022年8期

甄文通褚洪菲刘顾同李津

(徐州地铁运营有限公司， 221005，徐州∥第一作者，高级工程师)

在对徐州地铁列车的检查中发现，部分车辆出现转向架踏面制动单元闸瓦吊销轴(以下简为“闸瓦吊销轴”)松脱故障。经现场确认，该故障由紧固螺栓及支撑环脱落引起。闸瓦吊销轴主要起到连接闸瓦托及箱体的铰链作用。如果销轴松脱，闸瓦则会从车上脱落，从而严重影响运营安全。因此，有必要深入分析闸瓦吊销轴脱落故障的根本原因，并采取相应的优化措施，以避免此类故障引起的严重后果。

1 闸瓦吊销轴脱落故障的根本原因

1.1 闸瓦吊销轴连接结构

闸瓦吊销轴连接结构如图1所示。由图1可见，闸瓦吊销轴两端通过连接螺栓将2片支撑环固定，以防止闸瓦吊销轴左右脱出。

注：1——闸瓦吊； 2——支撑环； 3——连接螺栓； 4——闸瓦吊销轴； 5——衬套； 6——箱体。

1.2 闸瓦吊销轴脱落的原因

由闸瓦吊销轴的连接结构可知，闸瓦吊销轴脱松是由连接螺栓松脱引起的。进一步分析可知，发生螺栓松脱的可能原因为：① 螺栓紧固力矩偏低，未达到规定的扭矩要求；② 螺栓的螺纹锁固胶固化不良；③ 未严格按照安装工艺规定执行；④ 销轴相关配合尺寸不满足要求。

1.2.1 螺栓紧固力矩

从设计上核准闸瓦吊销螺栓力矩分析，有：

T=T1+T2=KF0d0

(1)

式中:

T——拧紧扭矩；

T1——螺纹摩擦力造成的力矩；

T2——螺栓断面摩擦力造成的力矩；

F0——轴向预紧力；

d0——螺栓的公称直径；

K——拧紧力矩系数。

闸瓦吊销轴表面均采用锰酸盐处理，故本文中K取0.24(无润滑)。经计算，当T=25.5 N·m时，F0=10 625 N，满足设计要求。

1.2.2 闸瓦吊销轴的质量控制检验

在零部件入厂检验中，对闸瓦吊及闸瓦吊销轴的配合尺寸、螺纹规格等进行检验。在生产过程检验中，对扭力工具有效期及螺纹锁固胶有效期等过程要素进行确认，并对清洗、涂抹锁固胶等操作及相应工艺的文件符合性进行检验；同时，按照零缺陷(C=0)抽样方案、AQL(接收质量限)为 1.5的抽样标准，对扭矩施加有效性进行复核。完工检验时，检查六角头螺栓、支撑环及闸瓦吊销轴的安装状态。每周对安装扭力工具进行校验，确认工具状态。故障发生后，从供应商库存零部件中随机抽取了10件闸瓦吊及10件闸瓦吊销轴，经配合尺寸检查，均满足图纸设计要求。上述质量控制检验结果表明，零部件均为合格产品。

1.2.3 闸瓦吊销轴安装工艺

由于闸瓦吊销轴表面采用了锰酸盐及防锈油防腐处理，故现有闸瓦吊销轴安装工艺规定：首先，在产品组装前须用清洗剂清洗闸瓦吊销轴螺纹孔内油污，并用风枪吹干；然后，在螺纹前端2～3牙位置涂抹乐泰243螺纹锁固厌氧胶(以下简为“乐泰243胶”)，且涂抹量约为0.2 ml；紧固扭矩为25.5 N·m，并在紧固处画好防松标记。

经核查，上述工艺规定满足生产工艺要求。但在现场拆解故障件时发现，螺纹孔内依然存在油污。这说明，现场未能按照工艺规定要求严格执行，未能彻底清除螺纹孔内油污，从而导致螺栓螺纹紧固胶固化不良。由此可以推断，螺纹孔内残留的防锈油是闸瓦吊销轴松脱的主要原因。

1.3 闸瓦吊销轴脱落原因的试验验证

为验证扭矩、螺纹锁固胶以及防锈油对紧固效果的影响，按照IEC 61373中2类工况，对踏面制动单元按3个方向分别进行5 h模拟长寿命试验及模拟振动冲击试验。经试验测试，产品性能正常，能满足T/CAMET 04004.8—2018《城市轨道交通车辆制动系统，第8部分：踏面制动单元技术规范》[1]的要求。冲击试验垂向、横向、纵向3个方向尖峰加速度为300 m/s2，额定试验时间为18 ms，试验频率为5～250 Hz。模拟长寿命试验以及振动冲击试验及结果如表1～2所示。

表1 模拟长寿命试验条件

表2 模拟振动冲击试验条件及结果

由模拟长寿命试验及振动冲击试验结果，在低扭矩且残留防锈油的情况下，闸瓦吊销轴螺栓的防松性能下降，可能导致闸瓦吊销轴松脱。

为研究防锈油残留对螺纹锁固胶紧固效果的影响，在采用乐泰243锁固胶、紧固扭矩为25.5 N·m的工况下，进行螺栓松脱试验，结果如表3所示。由表3可见，防锈油残留会明显影响螺栓锁固胶的固化效果，降低螺栓连接强度。

上述模拟试验结果进一步验证了闸瓦吊销轴脱落的原因。如果闸瓦吊销轴在组装前未能将防锈油彻底清理，则将影响螺纹锁固胶的固化效果，从而降低螺纹副的锁固性能。

表3 螺栓松脱扭矩影响分析

2 针对闸瓦吊销轴脱落故障的优化

基于对质量、工艺及试验等分析，踏面制动单元闸瓦吊销轴连接结构优化措施主要为：改用乐泰272螺纹锁固胶(以下简为“乐泰272胶”)，增设双叠自锁垫圈，将紧固扭矩增至49 N·m。

1) 改用乐泰272胶。现使用的乐泰243胶为中高强度螺纹锁固胶。与乐泰243胶相比，乐泰272胶为高强度锁固胶，其平均拆卸扭矩更大，具有更好的锁固效果。

2) 增设双叠自锁垫圈。为了进一步防止螺栓松脱，可在连接螺栓与支撑环之间增设双叠自锁垫圈(符合DIM 2501对螺栓连接等级的要求)。1套双叠自锁垫圈由2片相同的垫圈组成，其结构原理如图2所示。每片垫圈的上、下面都带有不同锯齿：一面为凸轮状大齿，其斜坡角度α大于螺栓螺纹角β；另一面为较密小齿。安装垫圈时，大齿面相对，并成对安装。小齿面分别与螺母和被紧固件接触。拧紧螺栓连接紧固件后，一旦发生振动，则大齿面就会错动抬升，因α>β，故螺栓将被锁住，不能松动。

注：α为凸轮状大齿斜坡角；β为螺栓螺纹角。图2 双叠自锁垫圈原理图示Fig. 2 Illustration of principle of double self-locking gasket

3) 增大闸瓦吊销轴的螺栓紧固扭矩。对于性能等级为8.8级的M10螺栓，可将紧固扭矩增大至49 N·m。闸瓦吊销轴材料为45号钢，螺栓旋合深度为16 mm，相应的闸瓦吊销轴内螺纹孔强度校核如表4所示(VDI 2230—2010《高强度螺栓紧固系统设计计算》)。由表4可知：σp,a>σp，即螺纹挤压应力满足螺纹抗挤压要求；τa>τ，即螺纹剪切应力满足螺纹抗剪切要求；σb,a>σb，即螺纹弯曲应力满足螺纹抗弯曲要求；原螺栓的强度、牙型及螺距等均满足紧固扭矩增大的要求。