闸瓦插销虚穿的原因分析及改进方案

卢 睿

(中国铁路成都局集团有限公司 成都北车辆段，四川 成都 610000)

闸瓦作为铁路车辆制动系统的重要部件，在制动时直接与车轮踏面紧贴从而使车辆发生制动作用，因此，闸瓦状态是否良好对铁路车辆运行安全至关重要。随着铁路车辆运行速度的不断提高，对制动系统的要求也随之提高，高摩合成闸瓦应运而生[1-2]。然而在更换高摩合成闸瓦时易发生闸瓦插销虚穿，列车运行中会导致闸瓦脱落，危及行车安全，仅2020年上半年某车辆段发现并处置的闸瓦插销虚穿故障就约180件。因此，研究如何避免闸瓦插销虚穿对铁路车辆安全运行具有重要意义。

1 闸瓦插销虚穿情况分析

图1 高摩合成闸瓦图样

图2 闸瓦插销正常插设

图3 闸瓦插销虚穿

1.1 闸瓦弧面变形对装配的影响

对现场新旧高摩合成闸瓦状态进行调研，采集闸瓦弧面弦长、弧长等数据，根据数理统计三值平均原理，利用弦长公式和Excle软件计算出闸瓦弧面半径。为减小计算误差，在闸瓦弧面上三等份测量弦长D1、D2、D3及对应弧长L1、L2、L3，计算所得闸瓦弧面半径分别为R1、R2、R3。设弧长对应圆心角为2α(弧度)，则弦长D、弧长L、弧面半径R、圆心角2α关系如图4所示，计算公式分别为：

图4 弦长、弧长、弧面半径、圆心角关系示意图

Di=2Risinα

(1)

Li=2Riα

(2)

R=∑Ri/3

(3)

式(1)除以式(2)可得：

sinα/α=Di/Li

(4)

在软件中编写公式计算α值后带入式(1)或式(2)可得闸瓦弧面半径Ri(i=1,2,3)。

将不同弧面半径的闸瓦分别与同一闸瓦托进行装配，发现当实际闸瓦弧面半径大于521.9 mm时，瓦鼻与凹槽间间隙明显变大，闸瓦插销虚穿。各闸瓦实际弧面半径及装配情况如表1所示。

表1 实际闸瓦弧面半径及装配情况统计表

由于运输、装卸、存储及闸瓦材质等因素影响，闸瓦弧面半径实际变形量范围较大，为准确得到闸瓦弧面半径变形量范围，在不影响闸瓦正常使用的前提下，采用外力使之形变，得出闸瓦弧面半径R实际变形量范围约为211.4～664.3 mm。由于闸瓦插销插入端厚度约3 mm，笔者认为瓦鼻与凹槽间间隙大于3 mm是闸瓦插销虚穿的必要条件。

假设瓦鼻与凹槽间间隙为3 mm，经计算可知闸瓦弧面半径R=484.3 mm，即当闸瓦弧面半径R≥484.3 mm时，闸瓦插销装配时将可能出现虚穿现象。

对大量现场闸瓦插销虚穿情况进行分析，发现装配高摩合成闸瓦时，瓦鼻与凹槽间间隙在5～8 mm，如图5所示(图中开口销为5 mm)，此时在闸瓦插销正常插设路径上出现一个明显的岔口，会使闸瓦插销插入错误路径，造成虚穿，如图6所示。大量现场虚穿情况与上述“瓦鼻与凹槽间间隙大于3 mm是造成闸瓦插销虚穿的必要条件”的结论相吻合，因此减小闸瓦弧面半径、减小或消除瓦鼻与凹槽间的间隙是避免闸瓦插销虚穿的主要办法。

图5 闸瓦装配侧视图

图6 闸瓦装配俯视图

1.2 闸瓦插销变形对装配的影响

对现场新旧闸瓦插销弧面和其对闸瓦装配的影响情况进行调研，闸瓦插销弧面半径计算方法同1.1，发现当闸瓦插销弧面半径小于287.5 mm时，闸瓦插销插设路径将避开闸瓦安装孔，从瓦鼻外部通过，造成闸瓦插销虚穿。闸瓦插销弧面半径及装配情况如表2所示。

表2 闸瓦插销弧面半径及装配情况统计表

对造成虚穿的闸瓦插销弧面半径最小值进行计算，可知当闸瓦插销弧面半径R销≤291.9 mm时，闸瓦插销虚穿。笔者认为闸瓦插销弧面半径R销≤291.9 mm是闸瓦插销虚穿的充分条件。因此适当增大闸瓦插销弧面半径也可避免装配闸瓦时闸瓦插销虚穿。

2 翼型防虚穿闸瓦

翼型防虚穿闸瓦是在高摩合成闸瓦结构基础上，融入辅助性配件符合主体设备工程技术标准尺寸的设计理念，通过现场调研改进而成。与传统高摩合成闸瓦相比，翼型防虚穿闸瓦主要有如下改进：

(1) 改进现有高摩合成闸瓦安装孔尺寸。通过适当增加闸瓦安装孔的尺寸，减小了闸瓦插销装配弧面弦长，增大了闸瓦插销正常装配的弧面半径范围，使更小半径的闸瓦插销能沿安装路径正常插设。

(2) 改进现有高摩合成闸瓦瓦鼻结构。在高摩合成闸瓦瓦鼻顶部边缘左右各增加了一个40°角的“翼形翅膀”。完全消除了闸瓦装配时瓦鼻与凹槽间的间隙，使得闸瓦插销仅有正常插设路径，无虚穿路径，从根本上杜绝了闸瓦插销虚穿的可能。翼型防虚穿闸瓦实物与设计图分别如图7、图8所示。

图7 翼型防虚穿闸瓦实物图

图8 翼型防虚穿闸瓦设计图

将翼型防虚穿闸瓦在各型车辆上进行试用，所有闸瓦插销均可正常插设，且由于“翼形翅膀”的路径引导作用使得闸瓦插销插设过程更为容易。

3 结论

(1) 铸造误差、运输、装卸等因素对闸瓦和闸瓦插销装配弧面半径的影响是导致闸瓦装配过程中闸瓦插销虚穿的主要因素。闸瓦弧面半径R越大，闸瓦装配时瓦鼻与凹槽间的间隙越大，当R≥484.3 mm时，间隙大于3 mm，闸瓦插销装配时将可能出现虚穿现象；闸瓦插销弧面半径R销越小，闸瓦插销插设路径越靠近瓦背外侧，当R销≤291.9 mm时，闸瓦插销将虚穿。

(2) 防止闸瓦插销虚穿的主要措施是减小闸瓦装配时与闸瓦托的间隙，翼型防虚穿闸瓦的使用消除了此间隙，从根本上杜绝了闸瓦插销虚穿的可能。