宁波地铁1号线列车刮雨器故障分析及改进

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宁波地铁1号线列车刮雨器故障分析及改进

摘要：主要介绍了宁地铁1号线一期列车刮雨器前期的故障类别，对运营过程中频繁出现的一些故障进行分析，明确了故障原因并提出了相应的解决办法。通过整改，彻底降低了故障率，保证了列车的正常运营。 关键词：宁波轨道交通；内装；刮雨器故障

宁波市轨道交通1号线一期采用的是株洲联城集团的刮雨器。每列车在两端司机室头端分别配置了刮雨器，主要是在雨天、雾霾等天气中刮洗前窗玻璃，使前窗玻璃干净不影响司机视野。如若司机雨天驾驶时刮雨器故障，则严重影响司机驾驶视线。因此刮雨器虽属于小故障，但影响较为严重。针对此问题，本文分析了刮雨器的控制原理，对故障进行归纳分析，明确了故障原因，并提出了解决办法。

1 刮雨器工作原理

电动刮雨器的结构主要由控制部分、驱动部分、执行部分和洗涤部分组成。刮刷部分由刮臂和刮片组成。控制部分包括控制盒和控制面板，驱动部分主要为驱动总成，执行部分包括刮臂和刮片，洗涤部分由水箱，穿墙插头和水管等组成。其工作原理为电机旋转，通过四连杆机构将转动变换为摆动，带动刮臂、刮片以一定的频率来回往复刮刷车辆的前窗玻璃，使其表面干净。 2 故障调查

通过对宁波地铁1号线一期运营以来内装及其刮雨器故障进行统计，如下表1所示：

对1号线一期刮雨器故障进行分析，主要集中在刮臂故障（包括松动、基座断裂）；电机异响；连杆机构断裂；输出轴花键磨损等。 3 原因分析及整改措施

通过从结构、材质两方面对现有问题进行分析。

3.1结构原因1：现有刮臂采用双臂连接结构，其刮臂运动为平动刮刷，简称平行四边形刮臂。刮臂运行过程中转动惯量较大，则克服刮臂转动惯量做功也会较大，刮臂本身承受交变载荷作用，当运行时间过长，则会造成刮臂本身疲劳应力加大，疲劳强度降低，磨损加快。

整改措施1：将双臂连接结构改为单臂连接结构，其刮刷运动为扇形刮刷。单刮臂往复运动时刮臂本身转动惯量减小。根据冲击力计算公式（ ），重量降低后，在刮刷过程中对刮臂的冲击力减小约1倍，经过仿真体现，在增加的外在条件下，最终会在驱动电机输出轴端体现出来，但刮刷面积基本保持不变。整改前后输出轴冲击力测试点（如图1所示）

（图1）

经过仿真实验，并通过对数据列表进行分析，可以看出随着臂长的增大，受承受的最大力的增幅基本是以2倍速增，因此，在运行过程中，其所承受的力从某一个值递增到最大值时的斜率递增。所述铰链承受的最大力均发生在刮臂往程的最大角度处，主要原因此时速度最小，而加速度最大。

3.2结构原因2：刮雨器主要是通过四连杆机构进行刮刷，由于四连杆机构具有急性回转特性，即当主动件等速旋转时，做往复运动的从动件在回程中的平均速度＞往程的平均速度，在此过程中，由于在1个周期内角速度方向改变了两次，


瞬时角加速度达到峰值，致使雨刮系统产生较大的随瞬间冲击力，从而引起零件的磨损和工作噪音。

整改措施2： 通过调整刮雨器刮摆角度，促使极位夹角降低，则机构回转特性将显著降低。此时，可降低零件的磨损，达到减小噪音的目的。此外，对运动副各个位置进行动力学仿真，测量力的大小，如下图2、图3所示，对比数据见表4：

转动板位置1（图2） 转动板位置2（图3）

从四连杆机构运动副的参数来看，其受力情况要远远好于整改前刮雨器系统的冲击力，可靠性就会大大提升。 3.3基座松动原因：

锥齿传动轴与锥孔基座进行配合，由普通六角螺母进行紧固。在刮雨器运行过程中，锥齿传动轴与基座产生微动摩擦，长此以往，势必会对基座本身造成一定磨损，则锥孔基座会有沿轴向的一个相对运动，六角螺母紧固作用就会失效，造成刮雨器无法进行刮刷。

整改措施：将传动轴与刮臂基座配合由锥齿配合更改为方孔配合，完全解决基座松动问题，并将普通六角螺母更改为法兰面锁紧螺母。 3.4连杆机构故障：

故障主要表现在连杆球头脱落和输出轴与摆动版断裂。

材质整改措施：将输出轴的材料由06Cr19Ni10优化为30Cr13，其屈服强度为改进前的2倍多，抗疲劳度为改进前的1.5倍，将于摆动板旋铆结构增大接触面，由原11×11四方优化为13×13的尺寸，并增大圆弧过渡面，避免应力集中。 3.5驱动电机故障：

故障主要体现在电机输出轴断裂。

材质整改措施：电机输出轴材质45#更改为40Cr；取消电机输出轴上的卡簧槽，采用圆弧过渡，防止应力集中，两者对比40Cr的屈服强度为45#的2倍，抗疲劳强度更高。

通过对电机输出轴进行强度分析，根据计算无挡圈输出轴的最大等效应力为22.08Mpa、对于有挡圈输出轴的最大等效应力为143.67Mpa，发生在挡圈槽处，从分析的结果来看，挡圈槽的结构形式最会导致应力集中造成疲劳断裂。 4 结语

宁波轨道交通1号线自运营以来，刮雨器故障频发，基本形成一下雨则刮雨器故障的现象。刮雨器设计不合理因素居多。此外，未曾考虑到宁波梅雨季节以及1号线一期高架情况。宁波地铁经过更改设计方案，故障率显著降低。 参考文献：

[1]郭文贞 CRH2型动车组刮雨器作用不良问题浅析 中国论文网 2017

[2]中车株洲电力机车有限公司. 宁波轨道交通1号线一期维护手册 株洲 中车株洲电力机车有限公司2018

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