城市轨道交通车辆闸瓦剩余厚度测量装置*

1.湖南铁路科技职业技术学院 铁道机车学院 湖南株洲 412000 2.石家庄铁道大学 机械工程学院 石家庄 050043

1 设计背景

当前,城市轨道交通发展迅速,所需检修人员的数量远远跟不上人才培养的速度。城市轨道交通车辆的运营特点是站间距离较短,启动和刹车较为频繁。车辆每一次刹车基本都需要闸瓦的参与,对闸瓦的磨耗较大。闸瓦剩余厚度的控制对于城市轨道交通车辆的安全运营及车辆轮对踏面的保护都非常关键。为保证城市轨道交通车辆的安全运营,许多运营公司检修部门都会对闸瓦的检修作出相关布置和应对方案。目前比较普遍的执行方式是为闸瓦安排日检,根据厂家的规定要求及车辆的运营情况,确定闸瓦更换的最小尺寸,每日检查跟踪。为提高效率,许多运营公司要求检修人员先根据目测方式大致判定闸瓦剩余厚度是否明显大于需要更换时的厚度。如果目测明显大于需要更换时的厚度,那么可不用详细测量,记录安全即可。如果比较接近需要更换时的厚度,那么用钢尺进行详细测量,如图1所示。此方式对检修人员的经验要求高,存在一定的误判风险,并且使用钢尺测量时,对于需要更换时的厚度,如果测量位置不同,会使读数产生较大误差,总体而言可靠性不高。

图1 钢尺测量现场

许多学者对轨道交通车辆闸瓦进行了相关研究。李俊等[1]通过对车辆闸调器的检修工艺方法进行调整,提高了闸调器关键部件的检修质量。李永闯等[2]针对闸瓦托同向后仰变形导致闸瓦上部与车轮贴靠不合的现象,通过试验和对比分析提出改进建议,并成功解决这一问题。张雪松[3]针对轨道交通车辆检修与运行中闸调器的问题,结合闸调器的应用原理提出改进建议。孙可心等[4]通过理论和仿真模型分析,提出当铁路货车中各闸瓦一端磨耗量达到16 mm时,通过闸瓦上下对调方式延长闸瓦寿命。张旭华等[5]设计了一种矿用闸瓦间隙实时保护装置,此装置可使矿山机械制动闸瓦间隙的测量更加直观,同时提高矿井生产力,降低安全风险。此外,罗迎、姚伟伟、宋大伟等也进行了相关研究[6-10]。

综上所述,目前行业内尚未有一种可以提高城市轨道交通车辆闸瓦剩余厚度检测效率的装置。为提高城市轨道交通车辆闸瓦剩余厚度检测效率,笔者设计了一种闸瓦剩余厚度测量装置,能够快捷、准确、高效地检测城市轨道交通车辆闸瓦剩余厚度。通过工程实例仿真和对样品进行实践验证,确认了这一测量装置的有效性。

2 设计方案

城市轨道交通车辆闸瓦剩余厚度测量装置的设计思路源于萃智理论[11-13]。通过在西部某地铁运营公司检修车间进行调研发现,当前不少检修人员采用目测加钢尺比对来测量闸瓦剩余厚度,存在测量精度不高、测量效率低、人员技能要求高、受光线环境影响大等缺点。明确改进目标为提高检测精度和检测效率,确定矛盾点为钢尺测量时无明确定位方式,车底测量位置光线较暗,影响测量读数精度。

根据上述分析,笔者设计了一种闸瓦剩余厚度测量装置,可以解决上述矛盾,提高闸瓦剩余厚度的测量精度和检测效率。

3 装置结构

城市轨道交通车辆闸瓦剩余厚度测量装置结构如图2所示,主要包括基础装置、滑动装置及紧固螺钉等部件。

图2 城市轨道交通车辆闸瓦剩余厚度测量装置结构

3.1 基础装置

基础装置主要用于装置测量时保持定位和支撑滑动装置滑动,此外还用于闸瓦剩余厚度测量的初始判断。

基础装置的结构如图3所示。定位挡块用于测量时与闸瓦背面贴合定位,此贴合面为圆弧结构,与闸瓦背面圆弧同半径,可以保证完全贴合。检测贴合面用于测量时基础装置与闸瓦侧面紧密贴合。滑动止挡Ⅰ用于阻止滑块的滑动,此处需根据实际情况来设计详细位置。滑槽用于滑动装置的滑动导向。螺纹孔用于紧固螺钉的紧固。另外,基础装置长度为定位挡块与基础装置另一端端面的距离,此长度需要根据闸瓦的最小允许剩余厚度来设计。

图3 基础装置结构

3.2 滑动装置

滑动装置起滑动定位测量及闸瓦剩余厚度测量的阶段性判断作用。

滑动装置的结构如图4所示,主要包含滑块、刻度尺、滑动止挡Ⅱ等部分。刻度尺的读数为滑块的实际滑动量加基础装置长度,滑块实际滑动量由闸瓦剩余厚度测量中预设的检测值来确定。滑动止挡Ⅱ主要用于滑块滑动的限位。

图4 滑动装置结构

3.3 紧固螺钉

紧固螺钉主要用于滑块滑动定位时的紧固,将滑块的准确测量位置固定到测量状态,取下装置进行读数。相较原有采用钢尺在车辆上比对读数,这一方式的误差要小,并有助于方便测量。

4 测量方法

根据闸瓦材质的磨耗特性和车辆的运营情况,预设需要立即更换闸瓦的厚度尺寸H3、需要提高警惕而保持密切跟踪监测的厚度尺寸H4。具体测量方法如下:

(1) 当闸瓦剩余厚度H0大于H4时,检修人员可以判断此闸瓦运营安全,暂时无运营风险;

(2) 当闸瓦剩余厚度H0不大于H4且大于H3时,需要检修人员对闸瓦进行跟踪测量,并做好相关记录;

(3) 当闸瓦剩余厚度H0不大于H3时,需要立即更换闸瓦。

要使上述测量方法有效,提高闸瓦剩余厚度的测量效率,需要对测量装置进行特殊设计。

对于基础装置长度H1,在设计制造时要求等于闸瓦更换厚度H3。将滑动装置刻度尺的最大值预设为H4。

测量方法与结论见表1。

表1 城市轨道交通车辆闸瓦剩余厚度测量方法与结论

闸瓦剩余厚度测量精度可由滑块装置刻度尺的精度保证。如果发现待测量的闸瓦出现偏磨或者磨耗不均等情况,那么可以分别测量不同位置处的闸瓦剩余厚度。

5 工程实例仿真分析

某城市轨道交通车辆所用闸瓦新品时厚度为50±1 mm,闸瓦背部弧面半径为447 mm,结构如图5所示。参照标准[14],结合闸瓦供应商的建议,考虑城市轨道交通车辆闸瓦运营余量,将H3设为20 mm。

图5 城市轨道交通车辆闸瓦结构

为提高闸瓦剩余厚度测量的效率和准确度,将H4设为30 mm,即如闸瓦剩余厚度大于30 mm,则无需准确测量;如闸瓦剩余厚度在20～30 mm区间内,则需要准确测量。

基于以上测量方法,将基础装置定位挡块的圆弧半径设计为447 mm,基础装置长度H1设计为20 mm,刻度尺范围为20～30 mm。

假定闸瓦剩余厚度分别为48 mm、28 mm、20 mm,对测量过程进行分析。

如图6所示,闸瓦剩余厚度为48 mm,用基础装置进行测量,发现闸瓦剩余厚度大于H1,判断此闸瓦不需要更换。继续测量,当滑块滑动至最大位置处时,滑块仍未与轮对踏面接触,可判断此闸瓦磨耗余量充足,不用继续测量,记录为合格。

图6 闸瓦剩余厚度48 mm时测量示意图

如图7所示,闸瓦剩余厚度为28 mm,用基础装置进行测量,发现闸瓦剩余厚度大于H1,判断此闸瓦不需要更换。继续测量,滑动滑块,发现滑块还未至最大位置时已经与车轮踏面接触,此时需要对闸瓦进行详细测量。将滑块顶住车轮踏面,紧固螺钉紧固后取下测量装置,读取此时的刻度值为28.5 mm,并对此踏面厚度值进行记录。然后观察此闸瓦磨耗是否均匀,如无明显偏差,则可进行下个闸瓦的测量。

图7 闸瓦剩余厚度28 mm时测量示意图

如图8所示,闸瓦剩余厚度为20 mm,用基础装置进行测量,发现基础装置已直接与车轮踏面接触,判断此闸瓦需要更换。

图8 闸瓦剩余厚度20 mm时测量示意图

由以上分析可知,所设计的城市轨道交通车辆闸瓦剩余厚度测量装置在测量时方便、快捷、准确,工程实用性强。

6 样品验证

闸瓦剩余厚度测量装置样品在城市轨道交通车辆上进行试用,如图9所示。

图9 城市轨道交通车辆闸瓦剩余厚度测量装置试用现场

试用表明,采用该测量装置测量,相较传统目测加钢尺测量的方法,在时间方面可节省约1/4,在测量准确度方面可实现零错误。应用这一测量装置,可以有效提高闸瓦剩余厚度的检测效率。

7 结束语

针对当前城市轨道交通车辆闸瓦检测中出现的问题,结合萃智理论,设计了城市轨道交通车辆闸瓦剩余厚度测量装置。详细介绍了测量装置的结构和原理,并通过仿真及样品试用对测量装置的可行性及有效性进行了验证。

闸瓦剩余厚度测量装置设计巧妙,基础装置长度和滑块滑动量直接与闸瓦的判定尺寸关联,使用方便快捷,测量效率高,可以满足测量需求。所设计的紧固螺钉和刻度尺可以提高测量的精确度。

这一闸瓦剩余厚度测量装置的结构原理及测量方法也适用于其它轨道交通车辆闸瓦剩余厚度的测量,还可以为其它机械部件的测量方法及工具改进提供参考,在城市轨道交通车辆领域具有较高的推广应用价值。