城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架踏面制動(dòng)單元閘瓦吊銷軸松脫故障原因分析及優(yōu)化

甄文通 褚洪菲 劉顧同 李 津

(徐州地鐵運(yùn)營有限公司， 221005， 徐州∥第一作者， 高級(jí)工程師)

在對(duì)徐州地鐵列車的檢查中發(fā)現(xiàn)，部分車輛出現(xiàn)轉(zhuǎn)向架踏面制動(dòng)單元閘瓦吊銷軸(以下簡(jiǎn)為“閘瓦吊銷軸”)松脫故障。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，該故障由緊固螺栓及支撐環(huán)脫落引起。閘瓦吊銷軸主要起到連接閘瓦托及箱體的鉸鏈作用。如果銷軸松脫，閘瓦則會(huì)從車上脫落，從而嚴(yán)重影響運(yùn)營安全。因此，有必要深入分析閘瓦吊銷軸脫落故障的根本原因，并采取相應(yīng)的優(yōu)化措施，以避免此類故障引起的嚴(yán)重后果。

1 閘瓦吊銷軸脫落故障的根本原因

1.1 閘瓦吊銷軸連接結(jié)構(gòu)

閘瓦吊銷軸連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可見，閘瓦吊銷軸兩端通過連接螺栓將2片支撐環(huán)固定，以防止閘瓦吊銷軸左右脫出。

注：1——閘瓦吊； 2——支撐環(huán)； 3——連接螺栓； 4——閘瓦吊銷軸； 5——襯套； 6——箱體。

1.2 閘瓦吊銷軸脫落的原因

由閘瓦吊銷軸的連接結(jié)構(gòu)可知，閘瓦吊銷軸脫松是由連接螺栓松脫引起的。進(jìn)一步分析可知，發(fā)生螺栓松脫的可能原因?yàn)椋孩?螺栓緊固力矩偏低，未達(dá)到規(guī)定的扭矩要求；② 螺栓的螺紋鎖固膠固化不良；③ 未嚴(yán)格按照安裝工藝規(guī)定執(zhí)行；④ 銷軸相關(guān)配合尺寸不滿足要求。

1.2.1 螺栓緊固力矩

從設(shè)計(jì)上核準(zhǔn)閘瓦吊銷螺栓力矩分析，有：

T=T1+T2=KF0d0

(1)

式中:

T——擰緊扭矩；

T1——螺紋摩擦力造成的力矩；

T2——螺栓斷面摩擦力造成的力矩；

F0——軸向預(yù)緊力；

d0——螺栓的公稱直徑；

K——擰緊力矩系數(shù)。

閘瓦吊銷軸表面均采用錳酸鹽處理，故本文中K取0.24(無潤滑)。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)T=25.5 N·m時(shí)，F(xiàn)0=10 625 N，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2.2 閘瓦吊銷軸的質(zhì)量控制檢驗(yàn)

在零部件入廠檢驗(yàn)中，對(duì)閘瓦吊及閘瓦吊銷軸的配合尺寸、螺紋規(guī)格等進(jìn)行檢驗(yàn)。在生產(chǎn)過程檢驗(yàn)中，對(duì)扭力工具有效期及螺紋鎖固膠有效期等過程要素進(jìn)行確認(rèn)，并對(duì)清洗、涂抹鎖固膠等操作及相應(yīng)工藝的文件符合性進(jìn)行檢驗(yàn)；同時(shí)，按照零缺陷(C=0)抽樣方案、AQL(接收質(zhì)量限)為 1.5的抽樣標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)扭矩施加有效性進(jìn)行復(fù)核。完工檢驗(yàn)時(shí)，檢查六角頭螺栓、支撐環(huán)及閘瓦吊銷軸的安裝狀態(tài)。每周對(duì)安裝扭力工具進(jìn)行校驗(yàn)，確認(rèn)工具狀態(tài)。故障發(fā)生后，從供應(yīng)商庫存零部件中隨機(jī)抽取了10件閘瓦吊及10件閘瓦吊銷軸，經(jīng)配合尺寸檢查，均滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。上述質(zhì)量控制檢驗(yàn)結(jié)果表明，零部件均為合格產(chǎn)品。

1.2.3 閘瓦吊銷軸安裝工藝

由于閘瓦吊銷軸表面采用了錳酸鹽及防銹油防腐處理，故現(xiàn)有閘瓦吊銷軸安裝工藝規(guī)定：首先，在產(chǎn)品組裝前須用清洗劑清洗閘瓦吊銷軸螺紋孔內(nèi)油污，并用風(fēng)槍吹干；然后，在螺紋前端2～3牙位置涂抹樂泰243螺紋鎖固厭氧膠(以下簡(jiǎn)為“樂泰243膠”)，且涂抹量約為0.2 ml；緊固扭矩為25.5 N·m，并在緊固處畫好防松標(biāo)記。

經(jīng)核查，上述工藝規(guī)定滿足生產(chǎn)工藝要求。但在現(xiàn)場(chǎng)拆解故障件時(shí)發(fā)現(xiàn)，螺紋孔內(nèi)依然存在油污。這說明，現(xiàn)場(chǎng)未能按照工藝規(guī)定要求嚴(yán)格執(zhí)行，未能徹底清除螺紋孔內(nèi)油污，從而導(dǎo)致螺栓螺紋緊固膠固化不良。由此可以推斷，螺紋孔內(nèi)殘留的防銹油是閘瓦吊銷軸松脫的主要原因。

1.3 閘瓦吊銷軸脫落原因的試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證扭矩、螺紋鎖固膠以及防銹油對(duì)緊固效果的影響，按照IEC 61373中2類工況，對(duì)踏面制動(dòng)單元按3個(gè)方向分別進(jìn)行5 h模擬長壽命試驗(yàn)及模擬振動(dòng)沖擊試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，產(chǎn)品性能正常，能滿足T/CAMET 04004.8—2018《城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)，第8部分：踏面制動(dòng)單元技術(shù)規(guī)范》[1]的要求。沖擊試驗(yàn)垂向、橫向、縱向3個(gè)方向尖峰加速度為300 m/s2，額定試驗(yàn)時(shí)間為18 ms，試驗(yàn)頻率為5～250 Hz。模擬長壽命試驗(yàn)以及振動(dòng)沖擊試驗(yàn)及結(jié)果如表1～2所示。

表1 模擬長壽命試驗(yàn)條件

表2 模擬振動(dòng)沖擊試驗(yàn)條件及結(jié)果

由模擬長壽命試驗(yàn)及振動(dòng)沖擊試驗(yàn)結(jié)果，在低扭矩且殘留防銹油的情況下，閘瓦吊銷軸螺栓的防松性能下降，可能導(dǎo)致閘瓦吊銷軸松脫。

為研究防銹油殘留對(duì)螺紋鎖固膠緊固效果的影響，在采用樂泰243鎖固膠、緊固扭矩為25.5 N·m的工況下，進(jìn)行螺栓松脫試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。由表3可見，防銹油殘留會(huì)明顯影響螺栓鎖固膠的固化效果，降低螺栓連接強(qiáng)度。

上述模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了閘瓦吊銷軸脫落的原因。如果閘瓦吊銷軸在組裝前未能將防銹油徹底清理，則將影響螺紋鎖固膠的固化效果，從而降低螺紋副的鎖固性能。

表3 螺栓松脫扭矩影響分析

2 針對(duì)閘瓦吊銷軸脫落故障的優(yōu)化

基于對(duì)質(zhì)量、工藝及試驗(yàn)等分析，踏面制動(dòng)單元閘瓦吊銷軸連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施主要為：改用樂泰272螺紋鎖固膠(以下簡(jiǎn)為“樂泰272膠”)，增設(shè)雙疊自鎖墊圈，將緊固扭矩增至49 N·m。

1) 改用樂泰272膠。現(xiàn)使用的樂泰243膠為中高強(qiáng)度螺紋鎖固膠。與樂泰243膠相比，樂泰272膠為高強(qiáng)度鎖固膠，其平均拆卸扭矩更大，具有更好的鎖固效果。

2) 增設(shè)雙疊自鎖墊圈。為了進(jìn)一步防止螺栓松脫，可在連接螺栓與支撐環(huán)之間增設(shè)雙疊自鎖墊圈(符合DIM 2501對(duì)螺栓連接等級(jí)的要求)。1套雙疊自鎖墊圈由2片相同的墊圈組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。每片墊圈的上、下面都帶有不同鋸齒：一面為凸輪狀大齒，其斜坡角度α大于螺栓螺紋角β；另一面為較密小齒。安裝墊圈時(shí)，大齒面相對(duì)，并成對(duì)安裝。小齒面分別與螺母和被緊固件接觸。擰緊螺栓連接緊固件后，一旦發(fā)生振動(dòng)，則大齒面就會(huì)錯(cuò)動(dòng)抬升，因α>β，故螺栓將被鎖住，不能松動(dòng)。

注：α為凸輪狀大齒斜坡角；β為螺栓螺紋角。圖2 雙疊自鎖墊圈原理圖示Fig. 2 Illustration of principle of double self-locking gasket

3) 增大閘瓦吊銷軸的螺栓緊固扭矩。對(duì)于性能等級(jí)為8.8級(jí)的M10螺栓，可將緊固扭矩增大至49 N·m。閘瓦吊銷軸材料為45號(hào)鋼，螺栓旋合深度為16 mm，相應(yīng)的閘瓦吊銷軸內(nèi)螺紋孔強(qiáng)度校核如表4所示(VDI 2230—2010《高強(qiáng)度螺栓緊固系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算》)。由表4可知：σp,a>σp，即螺紋擠壓應(yīng)力滿足螺紋抗擠壓要求；τa>τ，即螺紋剪切應(yīng)力滿足螺紋抗剪切要求；σb,a>σb，即螺紋彎曲應(yīng)力滿足螺紋抗彎曲要求；原螺栓的強(qiáng)度、牙型及螺距等均滿足緊固扭矩增大的要求。

表4 螺紋孔強(qiáng)度校核

3 優(yōu)化效果驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化后的閘瓦吊銷軸進(jìn)行螺紋緊固力矩試驗(yàn)檢測(cè)。結(jié)果顯示：螺栓螺紋通止規(guī)檢測(cè)合格；銷軸螺紋通止規(guī)檢測(cè)合格；螺紋拆卸力矩高達(dá)38.5 N·m，比表3中有防銹油殘留時(shí)的松脫扭矩(21.3 N·m)高出約80%。

對(duì)完成優(yōu)化整改后的列車進(jìn)行試車線運(yùn)行、過彎運(yùn)行、模擬線路運(yùn)行及純空氣線路運(yùn)行的制動(dòng)工況沖擊振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化效果明顯。優(yōu)化后列車在1年的上線運(yùn)營跟蹤觀察中，未再出現(xiàn)閘瓦吊銷軸松脫的故障，取得了預(yù)期效果。

4 結(jié)語

通過對(duì)閘瓦吊銷軸松脫故障件的調(diào)查和試驗(yàn)，確認(rèn)了閘瓦吊銷松脫的根本原因。由于組裝前，未能徹底清理銷軸內(nèi)螺紋孔的防銹油，導(dǎo)致殘留的防

銹油影響了螺紋鎖固膠的固化效果，從而降低了螺紋副的鎖固性能。針對(duì)此原因，為有效提高閘瓦吊銷軸螺栓緊固強(qiáng)度，提出改用樂泰272膠，來提高螺栓緊固扭矩及增加雙疊自鎖墊圈的優(yōu)化措施，經(jīng)驗(yàn)證達(dá)到預(yù)期效果。