曹俊飛

（西安開(kāi)天鐵路電氣股份有限公司，西安 710065）

CRH5型動(dòng)車(chē)組司機(jī)控制器是司機(jī)操縱動(dòng)車(chē)組運(yùn)行的主要控制器件，具備調(diào)整動(dòng)車(chē)組牽引制動(dòng)工況、改變動(dòng)車(chē)組運(yùn)行方向以及設(shè)定機(jī)車(chē)運(yùn)行速度等功能。CRH5型動(dòng)車(chē)組司機(jī)控制器由速動(dòng)開(kāi)關(guān)、數(shù)字編碼器、模擬編碼器、控制手柄（LC手柄、方向手柄LINV和速度設(shè)定手柄LV）、凸輪組件及緩速器等部件構(gòu)成，如圖1所示。編碼器實(shí)現(xiàn)平滑車(chē)輛加速和制動(dòng)，再結(jié)合控制手柄，實(shí)現(xiàn)速動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合，確保CRH5型司機(jī)控制器具有高安全性和可靠性，齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)確保產(chǎn)品具有較長(zhǎng)壽命，其中數(shù)字編碼器（絕對(duì)值0～511）主要為動(dòng)車(chē)組提供牽引信號(hào)，模擬編碼器（模擬量4～20mA）主要為動(dòng)車(chē)組提供制動(dòng)信號(hào)。

圖1 CRH5型動(dòng)車(chē)司機(jī)控制器基本結(jié)構(gòu)

1 CRH5動(dòng)車(chē)組司機(jī)控制器及LC手柄介紹

1.1 LC手柄檔位介紹

CRH5型動(dòng)車(chē)組司機(jī)控制器LC手柄具有最大牽引位（T）、最小牽引位（MTQ）、0位（0）、電制動(dòng)位（B）、電空制動(dòng)（FSB）和緊急制動(dòng)位（EB）6個(gè)機(jī)械檔位，檔位信息是通過(guò)LC凸輪組件部分速動(dòng)開(kāi)關(guān)編碼信息顯示，LC手柄轉(zhuǎn)動(dòng)后，手柄組件上齒輪驅(qū)動(dòng)凸輪組件轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪動(dòng)作帶動(dòng)11個(gè)速動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，速動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合狀態(tài)用于反映LC手柄檔位狀態(tài)信息。機(jī)械聯(lián)鎖是指LC手柄離開(kāi)緊急制動(dòng)位（EB）及離開(kāi)0位（0）向牽引位（T）方向動(dòng)作被機(jī)械鎖定，只能通過(guò)下壓推動(dòng)進(jìn)行解除鎖定，LC手柄在其他檔位及檔位切換動(dòng)作沒(méi)有機(jī)械鎖定。LC手柄在緊急制動(dòng)位和0位鎖定，主要是通過(guò)LC手柄手柄上的定位輪組件和限位板上凹槽配合實(shí)現(xiàn)。

1.2 LC手柄限位螺釘受力及斷裂原因分析

使用過(guò)程，LC手柄使用非常頻繁，且LC手柄在離開(kāi)緊急制動(dòng)位和0位時(shí)需要進(jìn)行解鎖操作。進(jìn)行手柄下壓解鎖時(shí)，LC手柄沿限位螺釘M3×8向下運(yùn)動(dòng)，LC手柄會(huì)產(chǎn)生一個(gè)剪切力FA施加給限位螺釘M3×8上；LC手柄在離開(kāi)緊急制動(dòng)位和0需要進(jìn)行解鎖，若手柄上定位組件沒(méi)有完全脫離限位板，直接推動(dòng)LC手柄，LC手柄會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)（LC手柄以限位輪和凹槽的接觸處為中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)），此時(shí)LC手柄會(huì)產(chǎn)生一個(gè)剪切力FB，如圖3所示。在這兩種剪切力影響下，經(jīng)過(guò)一定疲勞期后，限位螺釘M3×8就會(huì)出現(xiàn)斷裂，該螺釘斷裂后導(dǎo)致LC手柄解鎖功能失效。

圖2 限位螺釘受力分析圖

1.3 LC手柄限位螺釘強(qiáng)度校核

CRH5司機(jī)控制器手柄運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，LC手柄在進(jìn)行解鎖操作時(shí)下壓力一般在10N左右，因此對(duì)限位螺釘剪切力影響很小，故本文不做分析；若手柄在沒(méi)有完全下壓狀態(tài)時(shí)，用力F1順時(shí)針強(qiáng)行推動(dòng)，定位組件與限位板之間會(huì)產(chǎn)生一定作用力，此作用力通過(guò)LC手柄直接傳遞給限位螺釘一個(gè)剪切力。實(shí)際操縱過(guò)程中，推力往往會(huì)超過(guò)49N，各力值取F1=49N、F2=40N、F3=20N， 當(dāng) ∑ M=0時(shí) ；可 得 F1×L1-F2×L2=0； 故F2=165N；此時(shí)LC手柄將F2的剪切力完全傳遞給限位螺釘M3×8，因此限位螺釘受到的剪應(yīng)力τ=F2/A1=32.75MPa,其中M3螺釘?shù)膽?yīng)力面積A1=5.03mm2。

限位螺釘許用剪切力[τ]=σs/S；考慮到應(yīng)力集中，安全系數(shù)S取值20，σs為0.6～0.8σb，σb為材料的抗拉強(qiáng)度，取值700MPa，性能等級(jí)為A2-70；σs取0.7倍抗拉強(qiáng)度，即490MPa；可得限位螺釘許用剪切力[τ]為24.5MPa。

根據(jù)校核計(jì)算得知，M3螺釘受到剪應(yīng)力大于許用剪應(yīng)力。因此經(jīng)過(guò)一定疲勞期后，螺釘會(huì)出現(xiàn)斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

2 CRH5動(dòng)車(chē)組司機(jī)控制器LC手柄結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 LC手柄限位螺釘強(qiáng)度提升

由于目前CRH5動(dòng)車(chē)組司機(jī)控制器的LC手柄上限位螺釘采用M3×8的不銹鋼螺釘，其性能等級(jí)為A2-70，在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)螺釘斷裂風(fēng)險(xiǎn)。若將不銹鋼螺釘改用為其他性能等級(jí)的鋼螺釘，對(duì)其各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。限位螺釘選用12.9級(jí)以上鋼螺釘時(shí)，基本滿(mǎn)足剪切力要求，但在實(shí)際司機(jī)操縱過(guò)程中，司機(jī)控制器LC手柄推力會(huì)大于49N，因此單從螺釘?shù)燃?jí)提升角度考慮，并不能完全解決限位螺釘M3×8的斷裂問(wèn)題。

表1 不同等級(jí)M3螺釘參數(shù)內(nèi)容

2.2 LC手柄桿和限位板改進(jìn)

在LC手柄桿和與齒輪連接處增加一個(gè)銅墊圈，如圖3所示。LC手柄改進(jìn)后，手柄桿向下的限位就由原來(lái)的限位螺釘和LC手柄限位槽方式限位，轉(zhuǎn)換為手柄桿下表面與墊圈上表面配合限位。這樣手柄桿下壓就不會(huì)對(duì)限位螺釘產(chǎn)生剪切力。

2.3 定位組件改進(jìn)

將原定位組件中滾輪軸和軸承組合結(jié)構(gòu)改為滾子軸承加側(cè)滾輪結(jié)構(gòu)，在原軸承兩端增加不銹鋼側(cè)滾輪。帶槽滾輪與限位板配合，當(dāng)LC手柄桿發(fā)生小角度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，只允許手柄桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶槽滾輪與限位板之間間隙，這樣帶槽滾輪就能將原來(lái)施加在螺釘上絕大部分剪力轉(zhuǎn)移至限位板上面，有效降低了對(duì)限位螺釘M3×8的損傷量。

圖3 LC手柄改進(jìn)前后圖示

3 結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)后的LC手柄和原司機(jī)控制器LC手柄操縱方式完全一致，手柄正常工作時(shí)，帶槽滾輪與限位板配合無(wú)卡滯，無(wú)異響，手柄上下活動(dòng)靈活；改進(jìn)后LC手柄經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，各項(xiàng)性能符合要求，可以推廣使用。