踏面制動單元緩解手柄拉斷故障分析

鄧秀玲，鄒 偉

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

踏面制動單元制動系統(tǒng)的關鍵部件是機車車輛的制動執(zhí)行機構。2019年10月，在進行車輛日常維護時，發(fā)現(xiàn)數(shù)起緩解手柄被拉斷的現(xiàn)象。由于緩解手柄被拉斷后，影響停放制動緩解，可能對車輛運營造成影響，須對故障進行分析，并提出解決方案，防止對機車車輛的正常運行造成影響。

1 故障分析

1.1 緩解手柄的結構及功能

緩解手柄是手緩解拉繩裝置的一個組成零件之一。手緩解拉繩裝置為外購件，由緩解手柄、拉繩、安裝座及穿銷鎖定裝置等部件組成，如圖1所示。緩解手柄通過內(nèi)置的螺套與拉繩相連?？紤]操作舒適性，緩解手柄材質(zhì)采用塑料材質(zhì)。

1—緩解手柄；2—拉繩；3—安裝座；4—穿銷鎖定裝置。

當車輛無風或風壓不足以緩解停放制動時，如果需要移動車輛，則需要拉動手柄，以緩解停放制動。

1.2 現(xiàn)場調(diào)研，確定故障

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，手柄拉斷時，操作人員處于正常操作狀態(tài)。故障為：操作緩解手柄緩解停放制動時，緩解手柄塑料部分斷裂為兩部分，并與金屬部分脫離，如圖2所示。

1.3 故障件分析

對故障件進行檢查、分析，發(fā)現(xiàn)該批次內(nèi)置螺套端面低于手柄塑料端面(見圖3)，導致壓緊螺母的預緊力通過墊片直接作用于塑料材質(zhì)的緩解手柄上(見圖4)。經(jīng)過計算，塑料面承受的壓應力為93 MPa，該應力已超出了其材質(zhì)(該材質(zhì)為ABS工程塑料)的極限壓縮強度70 MPa，導致手柄產(chǎn)生裂紋并發(fā)展為斷裂，因此，結構原因應是故障發(fā)生的直接原因。

圖2 手柄斷裂故障現(xiàn)象

圖3 塑料面高出金屬內(nèi)置螺套端面

圖4 手柄與鋼絲拉繩聯(lián)接方式

經(jīng)過初步調(diào)查，該手緩解拉繩裝置已在多條線路批量運用多年，質(zhì)量一直穩(wěn)定，在此之前未發(fā)現(xiàn)同類故障，且緩解拉繩的采購技術條件也未變化，因此，應對供應商進行專項質(zhì)量調(diào)查。

1.4 質(zhì)量調(diào)查及分析

為查明該起故障的原因，對供應商(提供圖1所示的整套手緩解拉繩)進行了專項質(zhì)量調(diào)查。經(jīng)過調(diào)查，認為導致手柄斷裂的原因如下:由于生產(chǎn)場地變更，供應商在金屬內(nèi)置螺套定位工裝未準備就緒的條件下就開始生產(chǎn)，使得手柄塑料面高出金屬內(nèi)置螺套端面，引起該批次產(chǎn)品不合格，最終導致了此次故障。與此同時，供應商也未按手緩解拉繩裝置的采購技術規(guī)范要求，將此次生產(chǎn)場地及生產(chǎn)工藝的變更告知買方。供應商現(xiàn)場生產(chǎn)管理、質(zhì)量控制存在一定紕漏，也未按合同要求履行告知義務，是此次故障的主要原因。經(jīng)過分析，手緩解拉繩裝置的采購技術規(guī)范未識別關鍵技術參數(shù)，設計冗余較低，是導致故障的根本原因，需要在以下方面進行改進。

1)結構尺寸要求較為簡單，需要補充關鍵的結構尺寸要求(如金屬螺套端面低于塑料端面的尺寸)，以便進行入廠尺寸檢驗。

2)手柄材質(zhì)為ABS塑料，其材料的極限壓縮強度的設計冗余較少，應采用極限壓縮強度更高的材料。

2 改進措施

為杜絕手柄再次發(fā)生斷裂現(xiàn)象，對手緩解拉繩裝置的采購技術規(guī)范進行了如下設計變更。

1)關鍵部位的尺寸要求，如注塑成型時金屬內(nèi)置螺套端面高于塑料面 0.1～0.5 mm，防止預緊力作用在塑料面上，如圖5所示。

圖5 增加尺寸要求

2)手柄改用 PA 材質(zhì)，其性能如表1所示。

表1 材料的主要性能參數(shù)對比

3 試驗驗證

按照上述的改進措施，對手柄結構、材質(zhì)進行了改進，并進行了生產(chǎn)試制(見圖6)，對改進后的手柄按照實際運用載荷進行了疲勞試驗驗證(見圖7)。采用充風風壓為 600 kPa的加載氣缸拉動手柄，模擬手緩解拉力對手柄進行了1萬次疲勞試驗(見圖8)，未發(fā)現(xiàn)手柄有裂紋、斷裂等異?，F(xiàn)象。

疲勞試驗中，手柄拉力的選擇過程如下:考慮到實際操作過程中，出現(xiàn)手拉緩解到位后手柄仍承受緩解拉力(該拉力可能較大)的現(xiàn)象，現(xiàn)提高手柄的工作載荷要求。依據(jù)《機械設計手冊》第4版第1卷要求，人手拉緩解手柄時，最大拉力為43 kg，如圖9所示(第1個操作方法)。因此，1 萬次疲勞壽命試驗中的拉力要求為43 kg，并按照該載荷對改進后的手柄進行疲勞驗證。

圖6 試制前后對比

圖7 疲勞試驗裝置

圖8 疲勞試驗結果

圖9 不同操作方法人的最大拉力

4 結語

通過以上分析，緩解手柄拉斷的故障主要原因是供應商現(xiàn)場生產(chǎn)管理和質(zhì)量控制存在紕漏。根本原因是設計源頭未識別關鍵技術參數(shù)，設計冗余較低。針對故障原因，從設計源頭即采購技術規(guī)范上制定了解決措施。改進后的緩解手柄，經(jīng)過試制，疲勞試驗驗證，符合設計要求，并已批量裝車，從2019年應用至今，未發(fā)現(xiàn)同類故障。