广州地铁5号线增购车辆制动夹钳螺栓断裂分析

漆瑾

广州地铁5号线增购车辆制动夹钳螺栓断裂分析

漆瑾

（广州地铁集团有限公司运营事业总部新线建设与筹备中心，510380，广州//工程师）

广州地铁5号线部分增购车辆的制动系统首次采用了适用于直线电机车辆的JCP型制动夹钳单元，但该制动夹钳单元在运用过程中出现了偏心轴螺栓断裂导致制动不缓解的故障。从制动夹钳偏心轴螺栓强度、材质等方面分析了故障发生的原因，提出了解决方案。5号线增购车辆制动夹钳优化后，整体运行情况良好，未出现制动夹钳偏心轴螺栓断裂的情况，验证了整改措施的有效性。

地铁车辆；JCP型制动夹钳单元；偏心轴螺栓断裂；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 问题概述

广州地铁5号线增购车辆分别采用了克诺尔车辆设备（苏州）有限公司和中国铁道科学研究院（以下简为“铁科院”）的制动系统。铁科院供货的制动系统采用了紧凑型盘形制动夹钳单元，简称为“JCP型制动夹钳单元”。JCP型制动夹钳单元具有质量轻、占用转向架空间小、模块化结构及自动补偿闸片与制动盘的磨耗等特点，能有效改善和提高车辆基础装置性能。JCP型制动夹钳主要分为两类，一类为不带停放制动的制动夹钳单元JCP-1，另外一类为带停放制动的制动夹钳单元JCP-2。JCP-1及JCP-2型制动夹钳单元的外观如图1、2所示。

图1 JCP-1型制动夹钳单元

图2 JCP-2型制动夹钳单元

首列配置JCP型制动夹钳的增购车101102于2013年3月投入广州地铁5号线运营，但在2014年11月，增购车05A102的1轴制动夹钳在正线出现了制动不缓解现象，为此，组织车辆回库并对制动夹钳进行了拆解分析。在拆解过程中，发现偏心轴与偏心轴杆连接螺栓（内六角圆柱头螺钉M 12×65）断裂（见图3～5），初步怀疑为螺栓材质不符合要求或螺栓受力超过载荷引起，进而针对断裂螺栓强度、材质性能等方面开展了调查。

图3 05A102车1轴制动夹钳偏心轴螺栓断裂情况

图4 留在偏心轴内的断裂螺栓

图5 取出的断裂螺栓

2 制动夹钳单元偏心轴螺栓强度校核

2.1计算依据

根据JCP型制动夹钳单元的设计，其主要技术参数如表1所示。

表1 JCP型制动夹钳单元技术参数

2.2制动夹钳单元模型建立

由于JCP-1与JCP-2制动夹钳在常用制动部分的结构一致，故以JCP-1制动夹钳为例进行阐述。JCP制动夹钳单元由缸体a、推杆调节器e、钳杆g及制动闸瓦支座h组成。g以a上的固定轴为支点转动，并分别与h、e相连接，进而将以上几部分组成一个整体。

施加常用制动部分（缸体内部）由夹钳单元皮碗m1、活塞m2、活塞复原弹簧m3、偏心轴组成p、偏心轴杆组成p1及下侧盖组成x等部件组成。p1作为传递m2力的部件与p以两个螺栓联接的形式固接。另外，p1中零件偏心轴杆q与x中滑动辊u相配合，达到带动推杆t传递力的作用。制动夹钳的结构如图6所示。

图6 JCP-1制动夹钳单元剖视图

在制动过程中，压缩空气通过a的缸口充入膜板内，压缩m2进行往复运动，并克服m3作用使得p转动；安装在p上的g由于p的转动至制动位置；相应地e也达到制动位置；g与h相连接，h上安装有制动闸片，制动闸片接触制动盘，产生制动力作用。

根据JCP型制动夹钳单元的结构，对模型进行了简化，如图7所示。

根据简化模型，制动夹钳单元力的传递过程如图8所示。

图7 制动夹钳单元简化模型

图8 制动夹钳单元力的传递

在SOLIDWORKS软件中建立简化模型，导入有限元分析软件ANSYS中的WorkBench模块，得几何简化模型如图9所示。模型中各零部件的材料属性见表2。

图9 简化的几何模型

2.3有限元模型

几何模型网格划分采用Mechanical单元形式。Mechanical主要用力结构分析。单元划分结果质量（meshmetrics）的检测采用单元畸变度（Skewness）度量，一般结果在0～0.5之间即为非常好的结果。

表2 制动夹钳简化几何模型零部件材料属性

几何模型网格划分的有限元模型如图10所示。

图10 制动夹钳几何模型网格划分的有限单元模型

2.3.1 约束及载荷施加

当施加停放制动时，钳杆的制动闸瓦支座一端与制动盘夹紧，因此对钳杆的孔内表面施加X方向固定约束。如图11所示。

图11 钳杆施加X方向约束

根据制动夹钳单元输出力传递过程，在偏心轴与缸体配合的圆柱面上，施加径向约束。以制动夹钳单元处于停放制动时加工况为例：常用制动缸为缓解状态，此时排出停放制动缸内的压缩空气，制动夹钳单元停放制动施加，停放制动输出力F3=30 kN。根据制动夹钳单元内部力的传递，可计算得施加至偏心轴杆与活塞连接孔的力F1=F3/4.668= 6.43 kN。对偏心轴杆孔的内表面以均布形式施加8 kN停放力载荷。

根据简化的力学模型分析，在M 12螺栓的螺杆上施加预紧力。机械设计手册（新版）中螺栓拧紧力矩的计算公式为T=KFd，其中K为扭矩系数，K= 0.2；F为预紧力；d为螺栓大径。根据设计要求，螺栓的紧固力矩T=80 Nm，计算可得螺栓预紧力F= 33 333 N。

2.3.2 强度分析

从Workbench模块的Solution中添加求解结果选项等效应力（Equivalent Stress），几何模型中2个螺栓的等效应力云图如图12、13所示。

图12 螺栓1的等效应力云图

图13 螺栓2的等效应力云图

由图12、13可知，螺栓1、2的最大强度分别为471.83MPa和488.23MPa，但偏心轴与螺栓配合处的最大强度分别为454.7MPa和436.9MPa（见应力云图标示），两者均小于8.8级螺栓的屈服强度640 MPa及抗拉强度800MPa的要求，故选用的螺栓强度满足设计要求。

3 断裂螺栓的物理化学性能及断口分析

3.1螺栓成分校验

委托金化所对断裂的螺栓进行了化学成分校验，检验结果如表3所示。由表3可知，所测元素均符合GB/T 3098.1《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》标准要求。

表3 断裂螺栓化学成分校验

3.2螺栓横截硬度测试

在断裂的螺栓上截取横截面，在1/2处进行洛氏硬度测试，结果见表4。测试结果表明，螺栓硬度满足GB/T 3098.1技术要求。

表4 断裂螺栓的洛氏硬度测试

4 解决措施

从上述分析来看，制动夹钳偏心轴螺栓选用及质量符合设计、制造要求。从螺栓的断裂形态及断口形貌分析，螺栓断裂是由于受到较高的扭转弯曲应力作用，裂纹从受力较大的位置螺纹根部萌生疲劳裂纹，属于疲劳断裂。因此，推断本次螺栓断裂的原因为个别螺栓在装配时表面残留油脂，致使螺纹紧固胶失效进而降低螺栓防松性能，导致螺栓松动后另一个螺栓承受了过大的应力而被拉断。为解决该问题，铁科院对供货的制动夹钳偏心轴螺栓开展了以下优化：

（1）将原来8.8级M 12×65的螺栓改为10.9级M 12×70的螺栓，增加M 12螺栓配合面有效螺纹的长度，同时采取添加防松垫圈的方式来增强螺纹防松效果。

（2）用乐泰263胶代替乐泰243胶，乐泰263胶的粘结强度优于乐泰243胶。

铁科院供货的5号线增购车辆制动夹钳于2015年4月完成了上述优化，截至目前整体运行情况良好，未出现制动夹钳偏心轴螺栓断裂的情况。

［1］朱士友，吕劲松.车辆检修工［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2009.

［2］中国铁道科学研究院机车车辆研究所.五号线增购车辆制动系统设计审查资料［R］.北京：中国铁道科学研究院，2011.

［3］中国铁道科学研究院机车车辆研究所.五号线增购车辆制动夹钳偏心轴螺栓强度计算［R］.北京：中国铁道科学研究院，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）