HXD1(神華)機(jī)車(chē)刮雨器設(shè)計(jì)優(yōu)化及驗(yàn)證

尹 菲，龍 源，鄧虹輝

(中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412000)

1 概述

刮雨器系統(tǒng)是安裝在機(jī)車(chē)擋風(fēng)玻璃上，清除玻璃上的雨水及其他遮擋物，以獲得清晰的視野，保障行車(chē)安全的裝置。機(jī)車(chē)刮雨器能否正常、可靠地工作，對(duì)司機(jī)瞭望、及時(shí)掌握線路情況和機(jī)車(chē)的安全運(yùn)行有一定影響。HXD1(神華)機(jī)車(chē)上使用的氣動(dòng)刮雨器，在運(yùn)行中曾發(fā)生多起刮臂碰撞問(wèn)題，并且刮臂刮刷過(guò)程中壓緊力不夠，穿墻接頭松動(dòng)等問(wèn)題也較為普遍，為有效解決上述問(wèn)題及后續(xù)隱患，同時(shí)也為了給后續(xù)大玻璃機(jī)車(chē)刮雨器的同步要求做技術(shù)儲(chǔ)備，對(duì)刮雨器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2 優(yōu)化措施

2.1 改進(jìn)刮臂碰撞

為了確保實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中不出現(xiàn)刮臂碰撞的問(wèn)題，主要的改進(jìn)方向?yàn)椋孩賰?yōu)化同步控制算法，增加容錯(cuò)判斷算法。根據(jù)可能出現(xiàn)的情況，主要考慮間歇同步單邊容錯(cuò)算法和方波驅(qū)動(dòng)容錯(cuò)算法。②分析刮臂干涉區(qū)域，在滿(mǎn)足刮刷視野的情況下，優(yōu)化刮臂刮片長(zhǎng)度，減少刮刷范圍的重疊區(qū)域，降低碰撞概率。由于刮壁碰撞的因素眾多，需要分析計(jì)算才能得出合適的改進(jìn)數(shù)值，故下述的試驗(yàn)為驗(yàn)證刮壁改進(jìn)的詳細(xì)方案。

2.2 提高刮臂壓緊力

可從以下方面增加刮臂刮刷過(guò)程中的壓緊力：優(yōu)化刮臂的結(jié)構(gòu)及主要部位的材質(zhì)；優(yōu)化刮臂對(duì)刮片壓緊力的調(diào)節(jié)方式。

刮臂主要構(gòu)架采用不銹鋼材質(zhì)，刮臂連桿為不銹鋼方管結(jié)構(gòu)，與主軸相連的基座材料用鋅鋁合金，表面為聚酯涂層，以防止腐蝕，增加表面光澤度。刮臂采用單桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)刮片扇形刮刷，如圖1所示。

圖1 刮臂組成

刮臂對(duì)刷片壓緊力采用壓簧式調(diào)節(jié)，如圖2所示。調(diào)節(jié)方便，壓緊力根據(jù)擋風(fēng)玻璃幅度可變，結(jié)構(gòu)安全、可靠。

圖2 刮臂局部視圖

2.3 優(yōu)化穿墻接頭結(jié)構(gòu)

穿墻接頭兩端均采用快擰接頭，有效防止水管脫落，且穿墻體采用螺紋式，能適用于車(chē)體厚度為3～45 mm的車(chē)輛，優(yōu)化后的穿墻接頭結(jié)構(gòu)圖3所示。

圖3 穿墻接頭組成

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1)驗(yàn)證優(yōu)化后的同步算法，在間歇強(qiáng)制同步、單邊信號(hào)錯(cuò)誤系統(tǒng)停止、氣路異常等情況下，刮雨器功能是否正常。

2)根據(jù)優(yōu)化后的刮臂刮片長(zhǎng)度，驗(yàn)證左右刮臂是否還會(huì)發(fā)生碰撞。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 升級(jí)版控制盒試驗(yàn)方法

1)將2個(gè)獨(dú)立的氣動(dòng)刮雨器調(diào)整同步后，將開(kāi)關(guān)撥至高速、低速、間歇檔，驗(yàn)證3種檔位是否同步。

2)將2個(gè)獨(dú)立的氣動(dòng)刮雨器調(diào)整同步后，將開(kāi)關(guān)撥至高速、低速、間歇檔，當(dāng)一個(gè)氣動(dòng)馬達(dá)出現(xiàn)故障時(shí)，驗(yàn)證另一個(gè)馬達(dá)是否停止工作，以保證整個(gè)系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)。

3.2.2 模擬裝車(chē)試驗(yàn)方法

1)按裝車(chē)實(shí)際工況尺寸安裝，使刮雨器處于自由狀態(tài)，按照刮臂初始位置進(jìn)行安裝。

2)在噴水狀態(tài)下，觀察高速、低速、間歇檔時(shí)刮臂是否會(huì)發(fā)生干涉。

3)在無(wú)水狀態(tài)下，觀察高速、低速、間歇檔時(shí)刮臂是否會(huì)發(fā)生干涉。

4)在2個(gè)刮片不相同的情況下(650 mm、600 mm、500 mm)，觀察高速、低速、間歇檔時(shí)刮臂是否會(huì)發(fā)生干涉。

因?yàn)榫C合視野分析及刮壁強(qiáng)度等分析，刮壁長(zhǎng)度固定為710 mm，由于刮片制作需要開(kāi)模制作，周期較長(zhǎng)，因此后續(xù)選取不同長(zhǎng)度的刮片來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算，選取最優(yōu)的刮片長(zhǎng)度。

4 升級(jí)版控制盒試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前期的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，下面主要從既有的比較成熟的間歇同步單邊容錯(cuò)控制盒和方波驅(qū)動(dòng)容錯(cuò)控制盒來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 間歇同步單邊容錯(cuò)控制盒

當(dāng)左右刮臂2個(gè)控制信號(hào)均正常時(shí)，輸出正常；當(dāng)只有一個(gè)控制信號(hào)正常時(shí)，程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行判斷后，用正常信號(hào)帶動(dòng)不正常側(cè)進(jìn)行相應(yīng)的同步運(yùn)行動(dòng)作。

4.2 方波驅(qū)動(dòng)容錯(cuò)控制盒

即使在雙信號(hào)都失效的情況下，控制盒能自動(dòng)產(chǎn)生一組類(lèi)似方波控制信號(hào)，使刮雨器仍能進(jìn)行類(lèi)似的正常運(yùn)行。

5 刮臂干涉分析

5.1 碰撞位置分析

氣動(dòng)刮雨器在運(yùn)行過(guò)程中可能存在碰撞區(qū)域?yàn)锳～B，設(shè)刮臂(從玻璃外側(cè)觀察，如圖4所示方向)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正周期，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為負(fù)周期，且假設(shè)2個(gè)刮臂的瞬時(shí)速比相同，分析可知：無(wú)論刮臂碰撞是在正周期還是負(fù)周期，刮臂最易碰撞的理論位置均在A點(diǎn)。刮臂安裝初始位置平齊時(shí)，刮臂碰撞的理論位置如圖5所示。

圖4 實(shí)際撞點(diǎn)位置A和B

圖5 理論碰撞點(diǎn)位置A和B

5.2 碰撞理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)前期收集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，要解決刮壁碰撞現(xiàn)場(chǎng)，主要從優(yōu)化刮臂刮片長(zhǎng)度來(lái)考慮，選取下面3種不同長(zhǎng)度的刮片長(zhǎng)度來(lái)確認(rèn)最優(yōu)的刮臂刮片長(zhǎng)度：2個(gè)刮臂刮片參數(shù)均為710 mm、650 mm、2個(gè)刮臂刮片參數(shù)均為710 mm、600 mm、2個(gè)刮臂刮片參數(shù)均為710 mm、500 mm。

通過(guò)碰撞理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論：刮壁刮片長(zhǎng)度均為710 mm×650 mm時(shí)，最易發(fā)生碰撞。當(dāng)刮臂刮片一根為710 mm×500 mm，另一根710 mm×650 mm時(shí)，發(fā)生碰撞的概率最小。

2個(gè)刮臂刮片速度越接近，最易發(fā)生碰撞狀態(tài)；2個(gè)刮臂刮片速度差異越大，發(fā)生碰撞的概率最小。

6 結(jié)語(yǔ)

目前設(shè)計(jì)優(yōu)化后的氣動(dòng)刮雨器已經(jīng)批量在HXD1(神華)機(jī)車(chē)上裝車(chē)，刮臂碰撞、刮臂刮刷過(guò)程中壓緊力不夠、穿墻接頭松動(dòng)等情況的故障率大大降低，運(yùn)用狀況良好。雖然在后續(xù)實(shí)際運(yùn)用中，刮雨器又發(fā)生了其他諸多故障，如水箱破裂、注水口水流倒噴、馬達(dá)故障、間歇位失效等，但中車(chē)聯(lián)合聯(lián)誠(chéng)集團(tuán)刮雨器事業(yè)部持續(xù)進(jìn)行改進(jìn)，已基本解決上述問(wèn)題。

刮雨器系統(tǒng)雖然不是軌道交通行業(yè)中的關(guān)鍵零部件，但是使用率極高，而且通過(guò)調(diào)查其他軌道交通車(chē)輛刮雨器的實(shí)際運(yùn)用情況，反映出目前的軌道交通車(chē)輛刮雨器還處于逐步成熟的階段，產(chǎn)品性能通過(guò)多年的驗(yàn)證和改進(jìn)，已經(jīng)達(dá)到一個(gè)逐步穩(wěn)定的狀態(tài)。