廣州地鐵5號線增購車輛制動夾鉗螺栓斷裂分析

漆瑾

廣州地鐵5號線增購車輛制動夾鉗螺栓斷裂分析

漆瑾

（廣州地鐵集團有限公司運營事業(yè)總部新線建設與籌備中心，510380，廣州//工程師）

廣州地鐵5號線部分增購車輛的制動系統(tǒng)首次采用了適用于直線電機車輛的JCP型制動夾鉗單元，但該制動夾鉗單元在運用過程中出現(xiàn)了偏心軸螺栓斷裂導致制動不緩解的故障。從制動夾鉗偏心軸螺栓強度、材質等方面分析了故障發(fā)生的原因，提出了解決方案。5號線增購車輛制動夾鉗優(yōu)化后，整體運行情況良好，未出現(xiàn)制動夾鉗偏心軸螺栓斷裂的情況，驗證了整改措施的有效性。

地鐵車輛；JCP型制動夾鉗單元；偏心軸螺栓斷裂；故障分析

Author′s addressNew Line Construction and Preparatory Center of the Operation Division，Guangzhou Metro Group Co.，Ltd.，510380，Guangzhou，China

1 問題概述

廣州地鐵5號線增購車輛分別采用了克諾爾車輛設備（蘇州）有限公司和中國鐵道科學研究院（以下簡為“鐵科院”）的制動系統(tǒng)。鐵科院供貨的制動系統(tǒng)采用了緊湊型盤形制動夾鉗單元，簡稱為“JCP型制動夾鉗單元”。JCP型制動夾鉗單元具有質量輕、占用轉向架空間小、模塊化結構及自動補償閘片與制動盤的磨耗等特點，能有效改善和提高車輛基礎裝置性能。JCP型制動夾鉗主要分為兩類，一類為不帶停放制動的制動夾鉗單元JCP-1，另外一類為帶停放制動的制動夾鉗單元JCP-2。JCP-1及JCP-2型制動夾鉗單元的外觀如圖1、2所示。

圖1 JCP-1型制動夾鉗單元

圖2 JCP-2型制動夾鉗單元

首列配置JCP型制動夾鉗的增購車101102于2013年3月投入廣州地鐵5號線運營，但在2014年11月，增購車05A102的1軸制動夾鉗在正線出現(xiàn)了制動不緩解現(xiàn)象，為此，組織車輛回庫并對制動夾鉗進行了拆解分析。在拆解過程中，發(fā)現(xiàn)偏心軸與偏心軸桿連接螺栓（內六角圓柱頭螺釘M 12×65）斷裂（見圖3～5），初步懷疑為螺栓材質不符合要求或螺栓受力超過載荷引起，進而針對斷裂螺栓強度、材質性能等方面開展了調查。

圖3 05A102車1軸制動夾鉗偏心軸螺栓斷裂情況

圖4 留在偏心軸內的斷裂螺栓

圖5 取出的斷裂螺栓

2 制動夾鉗單元偏心軸螺栓強度校核

2.1計算依據(jù)

根據(jù)JCP型制動夾鉗單元的設計，其主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 JCP型制動夾鉗單元技術參數(shù)

2.2制動夾鉗單元模型建立

由于JCP-1與JCP-2制動夾鉗在常用制動部分的結構一致，故以JCP-1制動夾鉗為例進行闡述。JCP制動夾鉗單元由缸體a、推桿調節(jié)器e、鉗桿g及制動閘瓦支座h組成。g以a上的固定軸為支點轉動，并分別與h、e相連接，進而將以上幾部分組成一個整體。

施加常用制動部分（缸體內部）由夾鉗單元皮碗m1、活塞m2、活塞復原彈簧m3、偏心軸組成p、偏心軸桿組成p1及下側蓋組成x等部件組成。p1作為傳遞m2力的部件與p以兩個螺栓聯(lián)接的形式固接。另外，p1中零件偏心軸桿q與x中滑動輥u相配合，達到帶動推桿t傳遞力的作用。制動夾鉗的結構如圖6所示。

圖6 JCP-1制動夾鉗單元剖視圖

在制動過程中，壓縮空氣通過a的缸口充入膜板內，壓縮m2進行往復運動，并克服m3作用使得p轉動；安裝在p上的g由于p的轉動至制動位置；相應地e也達到制動位置；g與h相連接，h上安裝有制動閘片，制動閘片接觸制動盤，產生制動力作用。

根據(jù)JCP型制動夾鉗單元的結構，對模型進行了簡化，如圖7所示。

根據(jù)簡化模型，制動夾鉗單元力的傳遞過程如圖8所示。

圖7 制動夾鉗單元簡化模型

圖8 制動夾鉗單元力的傳遞

在SOLIDWORKS軟件中建立簡化模型，導入有限元分析軟件ANSYS中的WorkBench模塊，得幾何簡化模型如圖9所示。模型中各零部件的材料屬性見表2。

圖9 簡化的幾何模型

2.3有限元模型

幾何模型網(wǎng)格劃分采用Mechanical單元形式。Mechanical主要用力結構分析。單元劃分結果質量（meshmetrics）的檢測采用單元畸變度（Skewness）度量，一般結果在0～0.5之間即為非常好的結果。

表2 制動夾鉗簡化幾何模型零部件材料屬性

幾何模型網(wǎng)格劃分的有限元模型如圖10所示。

圖10 制動夾鉗幾何模型網(wǎng)格劃分的有限單元模型

2.3.1 約束及載荷施加

當施加停放制動時，鉗桿的制動閘瓦支座一端與制動盤夾緊，因此對鉗桿的孔內表面施加X方向固定約束。如圖11所示。

圖11 鉗桿施加X方向約束

根據(jù)制動夾鉗單元輸出力傳遞過程，在偏心軸與缸體配合的圓柱面上，施加徑向約束。以制動夾鉗單元處于停放制動時加工況為例：常用制動缸為緩解狀態(tài)，此時排出停放制動缸內的壓縮空氣，制動夾鉗單元停放制動施加，停放制動輸出力F3=30 kN。根據(jù)制動夾鉗單元內部力的傳遞，可計算得施加至偏心軸桿與活塞連接孔的力F1=F3/4.668= 6.43 kN。對偏心軸桿孔的內表面以均布形式施加8 kN停放力載荷。

根據(jù)簡化的力學模型分析，在M 12螺栓的螺桿上施加預緊力。機械設計手冊（新版）中螺栓擰緊力矩的計算公式為T=KFd，其中K為扭矩系數(shù)，K= 0.2；F為預緊力；d為螺栓大徑。根據(jù)設計要求，螺栓的緊固力矩T=80 Nm，計算可得螺栓預緊力F= 33 333 N。

2.3.2 強度分析

從Workbench模塊的Solution中添加求解結果選項等效應力（Equivalent Stress），幾何模型中2個螺栓的等效應力云圖如圖12、13所示。

圖12 螺栓1的等效應力云圖

圖13 螺栓2的等效應力云圖

由圖12、13可知，螺栓1、2的最大強度分別為471.83MPa和488.23MPa，但偏心軸與螺栓配合處的最大強度分別為454.7MPa和436.9MPa（見應力云圖標示），兩者均小于8.8級螺栓的屈服強度640 MPa及抗拉強度800MPa的要求，故選用的螺栓強度滿足設計要求。

3 斷裂螺栓的物理化學性能及斷口分析

3.1螺栓成分校驗

委托金化所對斷裂的螺栓進行了化學成分校驗，檢驗結果如表3所示。由表3可知，所測元素均符合GB/T 3098.1《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》標準要求。

表3 斷裂螺栓化學成分校驗

3.2螺栓橫截硬度測試

在斷裂的螺栓上截取橫截面，在1/2處進行洛氏硬度測試，結果見表4。測試結果表明，螺栓硬度滿足GB/T 3098.1技術要求。

表4 斷裂螺栓的洛氏硬度測試

4 解決措施

從上述分析來看，制動夾鉗偏心軸螺栓選用及質量符合設計、制造要求。從螺栓的斷裂形態(tài)及斷口形貌分析，螺栓斷裂是由于受到較高的扭轉彎曲應力作用，裂紋從受力較大的位置螺紋根部萌生疲勞裂紋，屬于疲勞斷裂。因此，推斷本次螺栓斷裂的原因為個別螺栓在裝配時表面殘留油脂，致使螺紋緊固膠失效進而降低螺栓防松性能，導致螺栓松動后另一個螺栓承受了過大的應力而被拉斷。為解決該問題，鐵科院對供貨的制動夾鉗偏心軸螺栓開展了以下優(yōu)化：

（1）將原來8.8級M 12×65的螺栓改為10.9級M 12×70的螺栓，增加M 12螺栓配合面有效螺紋的長度，同時采取添加防松墊圈的方式來增強螺紋防松效果。

（2）用樂泰263膠代替樂泰243膠，樂泰263膠的粘結強度優(yōu)于樂泰243膠。

鐵科院供貨的5號線增購車輛制動夾鉗于2015年4月完成了上述優(yōu)化，截至目前整體運行情況良好，未出現(xiàn)制動夾鉗偏心軸螺栓斷裂的情況。

［1］朱士友，呂勁松.車輛檢修工［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2009.

［2］中國鐵道科學研究院機車車輛研究所.五號線增購車輛制動系統(tǒng)設計審查資料［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2011.

［3］中國鐵道科學研究院機車車輛研究所.五號線增購車輛制動夾鉗偏心軸螺栓強度計算［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2014.

Analysis of Brake Caliper Bolt Fracture of the Add-on Purchased Train for Guangzhou M etro Line 5

QIJin

A part of the add-on purchased train for Guangzhoumetro Line 5 adopt the JCP type brake caliper unit for the first time，which ismostly applied to linearmotor vehicles.But in operation,breaking failures caused by the eccentric shaft bolt fracture occurred.In this paper，themain reasons for the breaking failure are analyzed from the strength and materials of brake caliper eccentric shaft bolt，corresponding solutions are proposed.A fter technical improvement of the brake caliper unit，its overall operation becomes smooth and failures are no long to be observed.

metro train；JCP type brake caliper unit；eccentric shaftbolt fracture；failure analysis

U270.35

10.16037/j.1007-869x.2017.07.030

2015-08-04）