CRH5型動車組司機控制器LC手柄結(jié)構(gòu)分析及改進

曹俊飛

（西安開天鐵路電氣股份有限公司，西安 710065）

CRH5型動車組司機控制器是司機操縱動車組運行的主要控制器件，具備調(diào)整動車組牽引制動工況、改變動車組運行方向以及設(shè)定機車運行速度等功能。CRH5型動車組司機控制器由速動開關(guān)、數(shù)字編碼器、模擬編碼器、控制手柄（LC手柄、方向手柄LINV和速度設(shè)定手柄LV）、凸輪組件及緩速器等部件構(gòu)成，如圖1所示。編碼器實現(xiàn)平滑車輛加速和制動，再結(jié)合控制手柄，實現(xiàn)速動開關(guān)閉合，確保CRH5型司機控制器具有高安全性和可靠性，齒輪傳動設(shè)計確保產(chǎn)品具有較長壽命，其中數(shù)字編碼器（絕對值0～511）主要為動車組提供牽引信號，模擬編碼器（模擬量4～20mA）主要為動車組提供制動信號。

圖1 CRH5型動車司機控制器基本結(jié)構(gòu)

1 CRH5動車組司機控制器及LC手柄介紹

1.1 LC手柄檔位介紹

CRH5型動車組司機控制器LC手柄具有最大牽引位（T）、最小牽引位（MTQ）、0位（0）、電制動位（B）、電空制動（FSB）和緊急制動位（EB）6個機械檔位，檔位信息是通過LC凸輪組件部分速動開關(guān)編碼信息顯示，LC手柄轉(zhuǎn)動后，手柄組件上齒輪驅(qū)動凸輪組件轉(zhuǎn)動，凸輪動作帶動11個速動開關(guān)動作，速動開關(guān)閉合狀態(tài)用于反映LC手柄檔位狀態(tài)信息。機械聯(lián)鎖是指LC手柄離開緊急制動位（EB）及離開0位（0）向牽引位（T）方向動作被機械鎖定，只能通過下壓推動進行解除鎖定，LC手柄在其他檔位及檔位切換動作沒有機械鎖定。LC手柄在緊急制動位和0位鎖定，主要是通過LC手柄手柄上的定位輪組件和限位板上凹槽配合實現(xiàn)。

1.2 LC手柄限位螺釘受力及斷裂原因分析

使用過程，LC手柄使用非常頻繁，且LC手柄在離開緊急制動位和0位時需要進行解鎖操作。進行手柄下壓解鎖時，LC手柄沿限位螺釘M3×8向下運動，LC手柄會產(chǎn)生一個剪切力FA施加給限位螺釘M3×8上；LC手柄在離開緊急制動位和0需要進行解鎖，若手柄上定位組件沒有完全脫離限位板，直接推動LC手柄，LC手柄會發(fā)生轉(zhuǎn)動（LC手柄以限位輪和凹槽的接觸處為中心點轉(zhuǎn)動），此時LC手柄會產(chǎn)生一個剪切力FB，如圖3所示。在這兩種剪切力影響下，經(jīng)過一定疲勞期后，限位螺釘M3×8就會出現(xiàn)斷裂，該螺釘斷裂后導(dǎo)致LC手柄解鎖功能失效。

圖2 限位螺釘受力分析圖

1.3 LC手柄限位螺釘強度校核

CRH5司機控制器手柄運動過程中，LC手柄在進行解鎖操作時下壓力一般在10N左右，因此對限位螺釘剪切力影響很小，故本文不做分析；若手柄在沒有完全下壓狀態(tài)時，用力F1順時針強行推動，定位組件與限位板之間會產(chǎn)生一定作用力，此作用力通過LC手柄直接傳遞給限位螺釘一個剪切力。實際操縱過程中，推力往往會超過49N，各力值取F1=49N、F2=40N、F3=20N， 當(dāng) ∑ M=0時 ；可 得 F1×L1-F2×L2=0； 故F2=165N；此時LC手柄將F2的剪切力完全傳遞給限位螺釘M3×8，因此限位螺釘受到的剪應(yīng)力τ=F2/A1=32.75MPa,其中M3螺釘?shù)膽?yīng)力面積A1=5.03mm2。

限位螺釘許用剪切力[τ]=σs/S；考慮到應(yīng)力集中，安全系數(shù)S取值20，σs為0.6～0.8σb，σb為材料的抗拉強度，取值700MPa，性能等級為A2-70；σs取0.7倍抗拉強度，即490MPa；可得限位螺釘許用剪切力[τ]為24.5MPa。

根據(jù)校核計算得知，M3螺釘受到剪應(yīng)力大于許用剪應(yīng)力。因此經(jīng)過一定疲勞期后，螺釘會出現(xiàn)斷裂風(fēng)險。

2 CRH5動車組司機控制器LC手柄結(jié)構(gòu)改進

2.1 LC手柄限位螺釘強度提升

由于目前CRH5動車組司機控制器的LC手柄上限位螺釘采用M3×8的不銹鋼螺釘，其性能等級為A2-70，在使用過程中會出現(xiàn)螺釘斷裂風(fēng)險。若將不銹鋼螺釘改用為其他性能等級的鋼螺釘，對其各項指標(biāo)進行分析，結(jié)果如表1所示。限位螺釘選用12.9級以上鋼螺釘時，基本滿足剪切力要求，但在實際司機操縱過程中，司機控制器LC手柄推力會大于49N，因此單從螺釘?shù)燃壧嵘嵌瓤紤]，并不能完全解決限位螺釘M3×8的斷裂問題。

表1 不同等級M3螺釘參數(shù)內(nèi)容

2.2 LC手柄桿和限位板改進

在LC手柄桿和與齒輪連接處增加一個銅墊圈，如圖3所示。LC手柄改進后，手柄桿向下的限位就由原來的限位螺釘和LC手柄限位槽方式限位，轉(zhuǎn)換為手柄桿下表面與墊圈上表面配合限位。這樣手柄桿下壓就不會對限位螺釘產(chǎn)生剪切力。

2.3 定位組件改進

將原定位組件中滾輪軸和軸承組合結(jié)構(gòu)改為滾子軸承加側(cè)滾輪結(jié)構(gòu)，在原軸承兩端增加不銹鋼側(cè)滾輪。帶槽滾輪與限位板配合，當(dāng)LC手柄桿發(fā)生小角度轉(zhuǎn)動時，只允許手柄桿轉(zhuǎn)動帶槽滾輪與限位板之間間隙，這樣帶槽滾輪就能將原來施加在螺釘上絕大部分剪力轉(zhuǎn)移至限位板上面，有效降低了對限位螺釘M3×8的損傷量。

圖3 LC手柄改進前后圖示

3 結(jié)語

改進后的LC手柄和原司機控制器LC手柄操縱方式完全一致，手柄正常工作時，帶槽滾輪與限位板配合無卡滯，無異響，手柄上下活動靈活；改進后LC手柄經(jīng)過驗證，各項性能符合要求，可以推廣使用。