HXD1(神華)機車刮雨器設計優化及驗證

尹 菲，龍 源，鄧虹輝

(中車株洲電力機車有限公司產品研發中心，湖南 株洲 412000)

1 概述

刮雨器系統是安裝在機車擋風玻璃上，清除玻璃上的雨水及其他遮擋物，以獲得清晰的視野，保障行車安全的裝置。機車刮雨器能否正常、可靠地工作，對司機瞭望、及時掌握線路情況和機車的安全運行有一定影響。HXD1(神華)機車上使用的氣動刮雨器，在運行中曾發生多起刮臂碰撞問題，并且刮臂刮刷過程中壓緊力不夠，穿墻接頭松動等問題也較為普遍，為有效解決上述問題及后續隱患，同時也為了給后續大玻璃機車刮雨器的同步要求做技術儲備，對刮雨器進行了改進設計。

2 優化措施

2.1 改進刮臂碰撞

為了確保實際運行過程中不出現刮臂碰撞的問題，主要的改進方向為：①優化同步控制算法，增加容錯判斷算法。根據可能出現的情況，主要考慮間歇同步單邊容錯算法和方波驅動容錯算法。②分析刮臂干涉區域，在滿足刮刷視野的情況下，優化刮臂刮片長度，減少刮刷范圍的重疊區域，降低碰撞概率。由于刮壁碰撞的因素眾多，需要分析計算才能得出合適的改進數值，故下述的試驗為驗證刮壁改進的詳細方案。

2.2 提高刮臂壓緊力

可從以下方面增加刮臂刮刷過程中的壓緊力：優化刮臂的結構及主要部位的材質；優化刮臂對刮片壓緊力的調節方式。

刮臂主要構架采用不銹鋼材質，刮臂連桿為不銹鋼方管結構，與主軸相連的基座材料用鋅鋁合金，表面為聚酯涂層，以防止腐蝕，增加表面光澤度。刮臂采用單桿結構實現刮片扇形刮刷，如圖1所示。

圖1 刮臂組成

刮臂對刷片壓緊力采用壓簧式調節，如圖2所示。調節方便，壓緊力根據擋風玻璃幅度可變，結構安全、可靠。

圖2 刮臂局部視圖

2.3 優化穿墻接頭結構

穿墻接頭兩端均采用快擰接頭，有效防止水管脫落，且穿墻體采用螺紋式，能適用于車體厚度為3～45 mm的車輛，優化后的穿墻接頭結構圖3所示。

圖3 穿墻接頭組成

3 試驗驗證

3.1 試驗目的

1)驗證優化后的同步算法，在間歇強制同步、單邊信號錯誤系統停止、氣路異常等情況下，刮雨器功能是否正常。

2)根據優化后的刮臂刮片長度，驗證左右刮臂是否還會發生碰撞。

3.2 試驗方法

3.2.1 升級版控制盒試驗方法

1)將2個獨立的氣動刮雨器調整同步后，將開關撥至高速、低速、間歇檔，驗證3種檔位是否同步。

2)將2個獨立的氣動刮雨器調整同步后，將開關撥至高速、低速、間歇檔，當一個氣動馬達出現故障時，驗證另一個馬達是否停止工作，以保證整個系統處于停止狀態。

3.2.2 模擬裝車試驗方法

1)按裝車實際工況尺寸安裝，使刮雨器處于自由狀態，按照刮臂初始位置進行安裝。

2)在噴水狀態下，觀察高速、低速、間歇檔時刮臂是否會發生干涉。

3)在無水狀態下，觀察高速、低速、間歇檔時刮臂是否會發生干涉。

4)在2個刮片不相同的情況下(650 mm、600 mm、500 mm)，觀察高速、低速、間歇檔時刮臂是否會發生干涉。

因為綜合視野分析及刮壁強度等分析，刮壁長度固定為710 mm，由于刮片制作需要開模制作，周期較長，因此后續選取不同長度的刮片來進行分析計算，選取最優的刮片長度。

4 升級版控制盒試驗結果

根據前期的設計經驗，下面主要從既有的比較成熟的間歇同步單邊容錯控制盒和方波驅動容錯控制盒來進行試驗驗證。

4.1 間歇同步單邊容錯控制盒

當左右刮臂2個控制信號均正常時，輸出正常；當只有一個控制信號正常時，程序對信號進行判斷后，用正常信號帶動不正常側進行相應的同步運行動作。

4.2 方波驅動容錯控制盒

即使在雙信號都失效的情況下，控制盒能自動產生一組類似方波控制信號，使刮雨器仍能進行類似的正常運行。

5 刮臂干涉分析

5.1 碰撞位置分析

氣動刮雨器在運行過程中可能存在碰撞區域為A～B，設刮臂(從玻璃外側觀察，如圖4所示方向)順時針轉動為正周期，逆時針轉動為負周期，且假設2個刮臂的瞬時速比相同，分析可知：無論刮臂碰撞是在正周期還是負周期，刮臂最易碰撞的理論位置均在A點。刮臂安裝初始位置平齊時，刮臂碰撞的理論位置如圖5所示。

圖4 實際撞點位置A和B

圖5 理論碰撞點位置A和B

5.2 碰撞理論分析和試驗數據分析

根據前期收集的現場數據，要解決刮壁碰撞現場，主要從優化刮臂刮片長度來考慮，選取下面3種不同長度的刮片長度來確認最優的刮臂刮片長度：2個刮臂刮片參數均為710 mm、650 mm、2個刮臂刮片參數均為710 mm、600 mm、2個刮臂刮片參數均為710 mm、500 mm。

通過碰撞理論分析和試驗數據分析得出結論：刮壁刮片長度均為710 mm×650 mm時，最易發生碰撞。當刮臂刮片一根為710 mm×500 mm，另一根710 mm×650 mm時，發生碰撞的概率最小。

2個刮臂刮片速度越接近，最易發生碰撞狀態；2個刮臂刮片速度差異越大，發生碰撞的概率最小。

6 結語

目前設計優化后的氣動刮雨器已經批量在HXD1(神華)機車上裝車，刮臂碰撞、刮臂刮刷過程中壓緊力不夠、穿墻接頭松動等情況的故障率大大降低，運用狀況良好。雖然在后續實際運用中，刮雨器又發生了其他諸多故障，如水箱破裂、注水口水流倒噴、馬達故障、間歇位失效等，但中車聯合聯誠集團刮雨器事業部持續進行改進，已基本解決上述問題。

刮雨器系統雖然不是軌道交通行業中的關鍵零部件，但是使用率極高，而且通過調查其他軌道交通車輛刮雨器的實際運用情況，反映出目前的軌道交通車輛刮雨器還處于逐步成熟的階段，產品性能通過多年的驗證和改進，已經達到一個逐步穩定的狀態。