城市軌道交通車(chē)輛車(chē)鉤緩沖裝置故障分析

孟 飛，戴源廷，田云峰，魏志恒

（1.呼和浩特市城市軌道交通建設(shè)管理有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城市軌道交通中心，北京 100081）

1 引言

2011 年某地鐵線(xiàn)路車(chē)輛開(kāi)始批量使用彈性體型車(chē)鉤緩沖裝置，該裝置能夠?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄜ?chē)輛傳遞牽引力和制動(dòng)力，緩和列車(chē)在運(yùn)行中所產(chǎn)生的縱向沖擊，提高車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性和舒適性，并且具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)功能，可使車(chē)輛順利通過(guò)曲線(xiàn)。該裝置在運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)車(chē)鉤緩沖失效、沖撞故障，本文結(jié)合車(chē)鉤緩沖裝置的實(shí)際工況分析故障發(fā)生原因，并通過(guò)試驗(yàn)及理論計(jì)算，確定極限工況下車(chē)鉤緩沖裝置的最大工作行程，對(duì)應(yīng)制定車(chē)鉤緩沖裝置失效檢修標(biāo)準(zhǔn)，可在不分解車(chē)鉤的情況下用最小成本篩查出存在安全隱患的車(chē)鉤緩沖裝置。

2 彈性體型車(chē)鉤緩沖裝置

2.1 基本特性

某地鐵線(xiàn)路6 輛編組（4 動(dòng)2 拖）車(chē)輛車(chē)鉤具體配置方案如圖1 所示，Tc 為有司機(jī)室的拖車(chē)；M 為無(wú)司機(jī)室的動(dòng)車(chē)；C 為頭車(chē)半自動(dòng)車(chē)鉤緩沖裝置；B 為中間車(chē)帶彈性體型緩沖器半永久車(chē)鉤緩沖裝置；A 為中間車(chē)帶壓潰管半永久車(chē)鉤緩沖裝置。

圖1 車(chē)鉤配置方案

頭車(chē)半自動(dòng)車(chē)鉤緩沖裝置為保證車(chē)組之間的機(jī)械連接和風(fēng)路的自動(dòng)連接、分離，采用密接式連掛系統(tǒng)、安裝吊掛及緊湊式彈性體型緩沖系統(tǒng)、壓潰管裝置和過(guò)載保護(hù)裝置組合的配置。中間車(chē)鉤采用半永久車(chē)鉤緩沖裝置，分為帶緩沖器半永久車(chē)鉤緩沖裝置和帶壓潰管半永久車(chē)鉤緩沖裝置，用于列車(chē)編組內(nèi)部?jī)绍?chē)之間的連接，2 種半永久車(chē)鉤緩沖裝置成對(duì)使用。帶彈性體型緩沖器半永久車(chē)鉤緩沖裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“彈性體型車(chē)鉤緩沖裝置”）結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要包括緩沖裝置和安裝吊掛系統(tǒng)2 部分。頭部帶有凸錐的連接環(huán)與帶壓潰管半永久車(chē)鉤緩沖裝置連接。頭部集成了直通式的總風(fēng)管連接器，可以在連接車(chē)鉤緩沖裝置的同時(shí)完成列車(chē)內(nèi)部風(fēng)路的連接。

圖2 彈性體型車(chē)鉤緩沖裝置（單位：mm）

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

彈性體型緩沖器不同工況下的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 彈性體型緩沖器主要技術(shù)參數(shù)

2.3 緩沖原理

彈性體型車(chē)鉤緩沖裝置具有適當(dāng)?shù)某鯄毫Α⑤^低的剛度和良好的阻尼特性，可以很好地吸收列車(chē)正常牽引、制動(dòng)工況下產(chǎn)生的沖擊能量，減少車(chē)輛縱向振動(dòng)和沖擊，提高車(chē)輛的乘坐舒適度，同時(shí)保護(hù)車(chē)輛不受大的沖擊力而損壞。彈性體型車(chē)鉤緩沖裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由外拉桿、內(nèi)拉桿、端蓋、前端隔板、彈性體型緩沖器、限位螺母、殼體等部件組成。

圖3 彈性體型車(chē)鉤緩沖裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

車(chē)鉤緩沖裝置受壓縮時(shí)，壓力傳遞的順序依次為：外拉桿、前端隔板、彈性體型緩沖器、后端隔板、殼體，再通過(guò)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將車(chē)體間制動(dòng)力傳遞到車(chē)體上。

車(chē)鉤緩沖裝置受拉伸時(shí)，拉力傳遞的順序依次為：外拉桿、內(nèi)拉桿、后端隔板、彈性體型緩沖器、前端隔板、端蓋、殼體，再通過(guò)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將車(chē)體間牽引力傳遞到車(chē)體上[1-2]。

3 故障現(xiàn)象

3.1 故障概述

2018 年4 月，一列使用彈性體型車(chē)鉤緩沖裝置的城市軌道交通列車(chē)在牽引工況下，1#列車(chē)與2#列車(chē)之間出現(xiàn)嚴(yán)重的沖撞感，并伴隨較大的異聲，對(duì)乘客造成了一定的恐慌，為避免擴(kuò)大影響，當(dāng)值乘務(wù)員申請(qǐng)?zhí)崆敖Y(jié)束運(yùn)營(yíng)。

列車(chē)回庫(kù)后檢查發(fā)現(xiàn)：1#列車(chē)與2#列車(chē)間的彈性體型車(chē)鉤緩沖裝置外拉桿相對(duì)殼體存在約70 mm 的空行程，如圖4所示，徒手可拉動(dòng)外拉桿，緩沖裝置已基本無(wú)阻尼特性，且外拉桿相對(duì)殼體可進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)。

3.2 受力分析

正常狀態(tài)的車(chē)鉤緩沖裝置內(nèi)部存在一定的初壓力，在自由狀態(tài)下其內(nèi)部彈簧組處于輕微受壓狀態(tài)，故外拉桿相對(duì)殼體發(fā)生軸向位移時(shí)需要較大的力，且車(chē)鉤緩沖裝置內(nèi)部存在防轉(zhuǎn)銷(xiāo)，不應(yīng)出現(xiàn)外拉桿可360°轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，故判定車(chē)鉤緩沖裝置內(nèi)部狀態(tài)存在異常。

4 緩沖裝置故障分析

4.1 故障原因判斷

由于故障車(chē)鉤緩沖裝置徒手即可使外拉桿發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不符合正常狀態(tài)下車(chē)鉤緩沖裝置的力-位移曲線(xiàn)特性，可判定其拉伸工況下的緩沖減振功能已失效，故對(duì)其進(jìn)行分解檢查，內(nèi)部狀態(tài)如圖5 所示。

圖5 故障車(chē)鉤緩沖裝置內(nèi)部輔助螺母松動(dòng)情況

結(jié)合該車(chē)鉤緩沖裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（圖3）可知：從限位螺母方向看外拉桿內(nèi)部，可見(jiàn)防松螺栓、防轉(zhuǎn)板已脫離防松位置，取出防松螺栓組件，可見(jiàn)輔助螺母已從內(nèi)拉桿上脫落。

車(chē)鉤緩沖裝置內(nèi)拉桿防松螺栓位置螺紋狀態(tài)如圖6所示，檢查內(nèi)拉桿螺紋部分可見(jiàn)安裝防松螺栓處螺紋存在局部變形、螺紋拉絲以及防松螺栓旋入深度不足的情況。

圖6 車(chē)鉤緩沖裝置內(nèi)拉桿防松螺栓位置螺紋狀態(tài)

根據(jù)內(nèi)拉桿螺紋與防松螺栓旋入深度不足（螺紋端部發(fā)生拉絲）這一現(xiàn)象，將輔助螺母重新擰回內(nèi)拉桿，以復(fù)原組裝時(shí)的情形，如圖7 所示。可見(jiàn)，組裝時(shí)輔助螺母沒(méi)有擰緊到位，不符合車(chē)鉤緩沖裝置維修工藝：輔助螺母的凹槽底面與內(nèi)拉桿的端面齊平的組裝要求。

圖7 防松螺栓組裝復(fù)原后狀態(tài)

綜上，故障原因可判斷為由于輔助螺母在外拉桿內(nèi)部不易觀察導(dǎo)致未擰緊到位，造成其凹槽的端面高于內(nèi)拉桿端面，進(jìn)而導(dǎo)致防松螺栓的旋合長(zhǎng)度不足。在車(chē)輛運(yùn)用、振動(dòng)等工況下，內(nèi)拉桿與防松螺栓實(shí)際發(fā)生旋合位置的螺紋破壞，造成防松失效，從而發(fā)生輔助螺母松動(dòng)、脫落，使車(chē)鉤緩沖裝置產(chǎn)生超過(guò)正常值的工作行程。

4.2 失效評(píng)估

在輔助螺母脫落的狀態(tài)下：車(chē)鉤緩沖裝置受壓縮力時(shí)，其內(nèi)部的傳力模式與無(wú)故障時(shí)一致；車(chē)鉤緩沖裝置受拉伸力時(shí)，車(chē)鉤緩沖裝置內(nèi)部受力情況為：外拉桿和限位螺母將拉伸作用力直接作用于端蓋上，端蓋通過(guò)螺紋連接將拉伸作用力傳遞到殼體上，彈性體彈簧組未發(fā)揮作用。因此，在拉伸工況下車(chē)鉤緩沖裝置會(huì)存在一段空行程，且無(wú)緩沖效果。

為評(píng)估輔助螺母脫落后，拉伸工況下車(chē)鉤緩沖失效故障的嚴(yán)重程度，通過(guò)對(duì)比車(chē)體間可發(fā)生的最大拉力和輔助螺母脫落后車(chē)鉤緩沖裝置內(nèi)部承力的螺紋連接機(jī)構(gòu)可承受的最小抗拉強(qiáng)度，對(duì)車(chē)鉤緩沖裝置在極限工況下的安全性能進(jìn)行評(píng)估，以判定車(chē)鉤緩沖裝置是否存在被拉斷的風(fēng)險(xiǎn)。

列車(chē)間可發(fā)生的最大拉力F1與單節(jié)列車(chē)滿(mǎn)載后的最大質(zhì)量m（單節(jié)列車(chē)質(zhì)量36 500 kg +單節(jié)最大載客量 310 人×60 kg/人=55 100 kg）和車(chē)輛最大啟動(dòng)加速度a有關(guān)，即：

外拉桿和限位螺母通過(guò)螺紋連接組成的機(jī)構(gòu)在承受工作載荷之前，螺栓不受力。輔助螺母脫落后，車(chē)鉤緩沖裝置所受牽引力完全由外拉桿與限位螺母的螺紋連接機(jī)構(gòu)承擔(dān)，根據(jù)限位螺母的螺紋應(yīng)力截面積以及外拉桿的抗拉強(qiáng)度[3-4]，可計(jì)算出該位置可承受的最小拉力載荷F2，即：

式（2）中，AS為外拉桿螺紋的應(yīng)力截面積，mm2；Rm為抗拉強(qiáng)度，MPa；SS為安全系數(shù)；d為外拉桿螺紋基本尺寸（M90×3-7H，旋合長(zhǎng)度為29.5 mm）；r為外拉桿空心直徑（56.25 mm）。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，列車(chē)間可發(fā)生的最大拉力F1=55.1 kN小于外拉桿與限位螺母螺紋連接機(jī)構(gòu)可承受的最小拉力載荷F2=421.759 kN，即當(dāng)輔助螺母完全脫落后，外拉桿內(nèi)部的螺紋限位機(jī)構(gòu)仍可承受車(chē)體間發(fā)生的最大拉力，車(chē)鉤緩沖裝置拉伸時(shí)會(huì)存在空行程，拉伸方向的緩沖功能喪失，但不存在被拉斷的風(fēng)險(xiǎn)，仍有約7.65 倍的安全裕量。

結(jié)合輔助螺母失效后外拉桿與限位螺母螺紋連接機(jī)構(gòu)可承受的最小拉力載荷值以及車(chē)鉤緩沖裝置設(shè)計(jì)單位意見(jiàn)，進(jìn)行極限工況下的車(chē)鉤緩沖裝置強(qiáng)度試驗(yàn)：在不安裝輔助螺母的情況下將車(chē)鉤緩沖裝置重新組裝復(fù)原，在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行拉力試驗(yàn)，試驗(yàn)加載載荷值為200 kN，反復(fù)拉伸6 次后結(jié)束，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 彈性體型緩沖器2 種工況下拉伸行程試驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

試驗(yàn)后解體檢查車(chē)鉤緩沖裝置內(nèi)部相關(guān)部件，未發(fā)生螺紋拉絲、零部件變形等異常情況，外拉桿與限位螺母螺紋連接位置狀態(tài)良好，說(shuō)明該隱患對(duì)整車(chē)的影響在可控范圍內(nèi)。

4.3 制定檢修標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)理論計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證確認(rèn)：雖然該隱患不會(huì)造成車(chē)輛解編等大事故的發(fā)生，但會(huì)造成車(chē)輛在牽引工況下舒適性降低。因此，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)其余車(chē)鉤緩沖裝置內(nèi)部防松螺栓旋合長(zhǎng)度不足的隱患，考慮通過(guò)制定緩沖器的工作行程標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判定已裝車(chē)使用的車(chē)鉤緩沖裝置是否存在類(lèi)似隱患。確定原則為：防松螺栓的防松作用有效，且輔助螺母尚未開(kāi)始松動(dòng)。在此條件下，緩沖器的行程由2 部分組成：一部分是防松螺栓未正常旋入的深度，另一部分是緩沖器的正常壓縮行程。

制定檢修標(biāo)準(zhǔn)：防松螺栓的旋合長(zhǎng)度按圖紙要求為10 mm，結(jié)合螺栓尺寸及機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知其不發(fā)生松動(dòng)的條件是旋入2 mm 以上，體現(xiàn)在緩沖器行程上是8 mm。結(jié)合列車(chē)型式試驗(yàn)結(jié)果可知，現(xiàn)車(chē)運(yùn)行中可發(fā)生的最大拉力值為54 kN，該拉伸載荷下緩沖器行程約為21 mm，兩者相加約29 mm。考慮零件制造公差及安全裕量，故將自由狀態(tài)下車(chē)鉤緩沖裝置外拉桿相對(duì)殼體伸出量的檢修標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定為25 mm。

考慮到列車(chē)車(chē)體間制動(dòng)指令響應(yīng)差異，車(chē)輛在停穩(wěn)后，車(chē)鉤緩沖裝置可能存在3 種工況：自由狀態(tài)、壓縮狀態(tài)、拉伸狀態(tài)。外拉桿伸出量檢修標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行需同時(shí)考慮以上狀態(tài)差異。由于車(chē)鉤緩沖裝置在靜止?fàn)顟B(tài)下連接環(huán)與車(chē)鉤殼體端面距離（圖8 中x位置）為定值122 mm，故x在拉伸狀態(tài)下的極值為122+25=147 mm，在壓縮狀態(tài)下的極值為122 -25=97 mm，綜上，半永久車(chē)鉤緩沖裝置外拉桿連接環(huán)端面距殼體端面長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在97～147 mm。

圖8 車(chē)鉤緩沖裝置發(fā)生異常磨耗位置示意（單位：mm）

結(jié)合該檢修標(biāo)準(zhǔn)，在不分解車(chē)鉤緩沖裝置的基礎(chǔ)上，總計(jì)發(fā)現(xiàn)3 例外拉桿相對(duì)車(chē)鉤殼體伸出量不符合標(biāo)準(zhǔn)（97～147 mm）的車(chē)鉤緩沖裝置，通過(guò)解體檢查發(fā)現(xiàn)：均存在內(nèi)部防松螺栓旋合長(zhǎng)度不足2 mm 的情況。該型車(chē)鉤緩沖裝置總計(jì)裝車(chē)使用105 套，分布在21 列車(chē)輛上，故障率約占裝車(chē)車(chē)鉤緩沖裝置總數(shù)的3.8%。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)試驗(yàn)及理論計(jì)算可知，彈性體型車(chē)鉤緩沖裝置失效原因?yàn)榫S修過(guò)程中工藝落實(shí)不到位。

（2）通過(guò)對(duì)承力螺紋連接機(jī)構(gòu)強(qiáng)度校核，可知造成本次故障的工藝缺陷不會(huì)造成車(chē)鉤緩沖裝置拉斷，但會(huì)導(dǎo)致列車(chē)牽引工況下的車(chē)鉤緩沖失效，降低乘客舒適度。

（3）通過(guò)制定車(chē)鉤緩沖裝置工作行程的檢修標(biāo)準(zhǔn)，可有效篩查出存在失效隱患的車(chē)鉤，無(wú)需全部解體車(chē)鉤，降低了人力及車(chē)鉤分解、運(yùn)輸、維修等成本。