HXD1(神华)机车刮雨器设计优化及验证

尹 菲，龙 源，邓虹辉

(中车株洲电力机车有限公司产品研发中心，湖南 株洲 412000)

1 概述

刮雨器系统是安装在机车挡风玻璃上，清除玻璃上的雨水及其他遮挡物，以获得清晰的视野，保障行车安全的装置。机车刮雨器能否正常、可靠地工作，对司机瞭望、及时掌握线路情况和机车的安全运行有一定影响。HXD1(神华)机车上使用的气动刮雨器，在运行中曾发生多起刮臂碰撞问题，并且刮臂刮刷过程中压紧力不够，穿墙接头松动等问题也较为普遍，为有效解决上述问题及后续隐患，同时也为了给后续大玻璃机车刮雨器的同步要求做技术储备，对刮雨器进行了改进设计。

2 优化措施

2.1 改进刮臂碰撞

为了确保实际运行过程中不出现刮臂碰撞的问题，主要的改进方向为：①优化同步控制算法，增加容错判断算法。根据可能出现的情况，主要考虑间歇同步单边容错算法和方波驱动容错算法。②分析刮臂干涉区域，在满足刮刷视野的情况下，优化刮臂刮片长度，减少刮刷范围的重叠区域，降低碰撞概率。由于刮壁碰撞的因素众多，需要分析计算才能得出合适的改进数值，故下述的试验为验证刮壁改进的详细方案。

2.2 提高刮臂压紧力

可从以下方面增加刮臂刮刷过程中的压紧力：优化刮臂的结构及主要部位的材质；优化刮臂对刮片压紧力的调节方式。

刮臂主要构架采用不锈钢材质，刮臂连杆为不锈钢方管结构，与主轴相连的基座材料用锌铝合金，表面为聚酯涂层，以防止腐蚀，增加表面光泽度。刮臂采用单杆结构实现刮片扇形刮刷，如图1所示。

图1 刮臂组成

刮臂对刷片压紧力采用压簧式调节，如图2所示。调节方便，压紧力根据挡风玻璃幅度可变，结构安全、可靠。

图2 刮臂局部视图

2.3 优化穿墙接头结构

穿墙接头两端均采用快拧接头，有效防止水管脱落，且穿墙体采用螺纹式，能适用于车体厚度为3～45 mm的车辆，优化后的穿墙接头结构图3所示。

图3 穿墙接头组成

3 试验验证

3.1 试验目的

1)验证优化后的同步算法，在间歇强制同步、单边信号错误系统停止、气路异常等情况下，刮雨器功能是否正常。

2)根据优化后的刮臂刮片长度，验证左右刮臂是否还会发生碰撞。

3.2 试验方法

3.2.1 升级版控制盒试验方法

1)将2个独立的气动刮雨器调整同步后，将开关拨至高速、低速、间歇档，验证3种档位是否同步。

2)将2个独立的气动刮雨器调整同步后，将开关拨至高速、低速、间歇档，当一个气动马达出现故障时，验证另一个马达是否停止工作，以保证整个系统处于停止状态。

3.2.2 模拟装车试验方法

1)按装车实际工况尺寸安装，使刮雨器处于自由状态，按照刮臂初始位置进行安装。

2)在喷水状态下，观察高速、低速、间歇档时刮臂是否会发生干涉。

3)在无水状态下，观察高速、低速、间歇档时刮臂是否会发生干涉。

4)在2个刮片不相同的情况下(650 mm、600 mm、500 mm)，观察高速、低速、间歇档时刮臂是否会发生干涉。

因为综合视野分析及刮壁强度等分析，刮壁长度固定为710 mm，由于刮片制作需要开模制作，周期较长，因此后续选取不同长度的刮片来进行分析计算，选取最优的刮片长度。

4 升级版控制盒试验结果

根据前期的设计经验，下面主要从既有的比较成熟的间歇同步单边容错控制盒和方波驱动容错控制盒来进行试验验证。

4.1 间歇同步单边容错控制盒

当左右刮臂2个控制信号均正常时，输出正常；当只有一个控制信号正常时，程序对信号进行判断后，用正常信号带动不正常侧进行相应的同步运行动作。

4.2 方波驱动容错控制盒

即使在双信号都失效的情况下，控制盒能自动产生一组类似方波控制信号，使刮雨器仍能进行类似的正常运行。

5 刮臂干涉分析

5.1 碰撞位置分析

气动刮雨器在运行过程中可能存在碰撞区域为A～B，设刮臂(从玻璃外侧观察，如图4所示方向)顺时针转动为正周期，逆时针转动为负周期，且假设2个刮臂的瞬时速比相同，分析可知：无论刮臂碰撞是在正周期还是负周期，刮臂最易碰撞的理论位置均在A点。刮臂安装初始位置平齐时，刮臂碰撞的理论位置如图5所示。

图4 实际撞点位置A和B

图5 理论碰撞点位置A和B

5.2 碰撞理论分析和试验数据分析

根据前期收集的现场数据，要解决刮壁碰撞现场，主要从优化刮臂刮片长度来考虑，选取下面3种不同长度的刮片长度来确认最优的刮臂刮片长度：2个刮臂刮片参数均为710 mm、650 mm、2个刮臂刮片参数均为710 mm、600 mm、2个刮臂刮片参数均为710 mm、500 mm。

通过碰撞理论分析和试验数据分析得出结论：刮壁刮片长度均为710 mm×650 mm时，最易发生碰撞。当刮臂刮片一根为710 mm×500 mm，另一根710 mm×650 mm时，发生碰撞的概率最小。

2个刮臂刮片速度越接近，最易发生碰撞状态；2个刮臂刮片速度差异越大，发生碰撞的概率最小。

6 结语

目前设计优化后的气动刮雨器已经批量在HXD1(神华)机车上装车，刮臂碰撞、刮臂刮刷过程中压紧力不够、穿墙接头松动等情况的故障率大大降低，运用状况良好。虽然在后续实际运用中，刮雨器又发生了其他诸多故障，如水箱破裂、注水口水流倒喷、马达故障、间歇位失效等，但中车联合联诚集团刮雨器事业部持续进行改进，已基本解决上述问题。

刮雨器系统虽然不是轨道交通行业中的关键零部件，但是使用率极高，而且通过调查其他轨道交通车辆刮雨器的实际运用情况，反映出目前的轨道交通车辆刮雨器还处于逐步成熟的阶段，产品性能通过多年的验证和改进，已经达到一个逐步稳定的状态。