车门35C制动器结构、原理及故障分析
摘 要：车门锁闭装置是车门系统的关键安全部件，锁闭可靠对运营安全具有非常重要的影响。广州地铁5号线列车客室车门制动器采用35C制动器，该型制动器在广州地铁4号线列车上表现稳定、可靠，但在5号线运营过程中出现问题较多，介绍该制动器结构、工作原理，并结合典型故障分析该制动器的优缺点。
关键词：地铁车辆；车门；制动器；锁闭；原理；故障分析
广州地铁车辆客室车门有气动内藏门、电动外挂门、电动塞拉门、电动微塞门等，车门搭配的锁闭装置也有多种型号，如CS锁、LS锁、35C制动器等。5号线列车客室车门为电动塞拉门，门控器控制电机驱动，电机通过联轴节与制动器一端相连，制动器另一端与丝杆连接，通过丝杆螺母传动机构实现车门的开关动作。35C制动器最大的特点是单向全程锁闭，即车门在没有被紧急解锁情况下，车门在任意开度均可锁闭，只能往关闭方向运动，无法反向运动。单向全程锁闭有效提高了车门的运营安全，但其结构较复杂，对零部件精度要求较高，不易维护［1-2］。
1 35C制动器结构及锁闭原理
1.1 35C制动器结构
35C制动器主要由制动外套、齿盘、制动芯及若干轴承组成（图1）。其中制动芯由外环和1套带楔角的凸轮锁闭机构组成（图2）。制动器的外环端面与齿盘啮合，在非解锁状态下，外环无法转动；当操作紧急解锁装置后，外环与齿盘分开，外环可转动。外环与凸轮之间通过小滚柱相配合，滚柱在带楔角的凸轮面上滚动改变凸轮与外环的配合松紧度从而实现锁闭。如滚柱在凸轮面的低点，则滚柱与外环不接触，凸轮与外环可相对运动；若滚柱滚向凸轮面的高点，则滚柱与外环接触且趋向越紧，凸轮与外环卡死，实现锁闭。
凸轮机构由凸轮与拨盘两部分组成，其中凸轮端连接丝杆，拨盘端连接电机，每个凸轮纵面与拨盘之间有2个滚柱，滚柱由凸轮纵面设置的预紧弹簧及预紧销推动（图3）。
1.2 锁闭原理
35C制动器的锁闭机构是基于单向超越离合器的无源锁闭结构（图4），凸轮面与外环之间形成一个楔形通道，当滚柱向楔角运动一定行程时，与凸轮及外环均接触，凸轮及外环将卡死，从而实现锁闭。当外环固定时，凸轮只能向一个方向转动（关门方向），故正常情况下只能向关门方向拉动门页；将当车门解锁后，外环可转动，凸轮可通过滚柱带动拨盘及外环同时转动，实现手动开门。
下面简单描述电动开关门、手动关门及解锁开门时各部件的动作情况。
(1）电动开门。电机转动（ω反向），拨盘推动滚柱滚向楔形通道宽敞处，并使滚柱到达凸轮止动台，带动凸轮转动，实现开门，此过程外环固定。
(2）电动关门。电机转动（ω方向），拨盘推动凸轮转动时，滚柱滚向楔形通道宽敞处，不会使凸轮及外环卡滞，故凸轮转动，此运动过程中滚柱一直无法到达锁闭位，当车门关闭到位，拨盘停止转动，滚柱在弹簧的作用下到达锁闭位置，实现关门，此过程外环固定。
(3）手动关门。手动关闭门页 ， 丝杆带动凸轮转动（ ω方向），滚柱滚向楔形通道宽敞处，不会使凸轮及外环卡滞，凸轮带动拨盘转动，实现关门，此过程外环固定。
(4）手动解锁开门。车门解锁后，外环与啮齿盘分离，外环可转动，故手动拉开门页，丝杆带动凸轮转动（ω反向），滚柱滚向楔形通道狭窄处，与凸轮及外环均接触，凸轮、外环、拨盘均一起转动，实现手动开门。
从制动器的工作原理可知，实现锁闭的关键部件为滚柱、凸轮、外环及相配合的轴承，这3个部件在开关门过程中频繁相对运动及摩擦，车门锁闭时均受力，故对部件尺寸精度及材质硬度、润滑情况要求较高。
2 典型故障分析
2.1 制动器异响问题
制动器异响主要表现为：手动解锁开门时，制动器内发出类似金属摩擦声响，但电动开关门则不会有异响。经过对制动器零件进行检测，发现滚针轴承圆度精度较低，径向尺寸差值达到0.14 mm，当制动芯带动滚针轴承转动时产生相互摩擦导致较大异响。由于滚针轴承安装在制动器的两端，与制动器外环配合，所以，异响只在手动解锁开门时发生。而电动开关门时，外环不转动，外环与滚针轴承之间也就不存在摩擦。该滚针轴承型号为WNB-HK5012，内径50 mm，厚度12 mm，滚针在摩擦过程中磨损严重致圆度超标，从而发出异响。对产生异响的制动器更换滚针轴承后，异响消失。由滚针轴承造成的制动器异响并不会影响车门的正常开关，但会降低乘客的舒适度。
2.2 制动器润滑脂问题
5号线列车在2010年冬天温度较低时期，在检修过程中发现部分车门在手动大力关门时出现门页反弹现象，即车门关到位后，制动器无法及时锁闭，两门页护指胶条相互撞击反弹使门页弹开约10 mm。从制动器的锁闭原理可知，手动关门时，滚柱克服预紧弹簧力滚向楔形通道宽敞处，不会使凸轮及外环卡死，凸轮带动拨盘转动，实现关门，当车门关闭到位，丝杆停止转动，滚柱在预紧弹簧的作用下迅速反向到达楔形通道狭窄处并使凸轮及外环卡死，锁闭门页。但如果滚柱在车门关闭到位时不能及时动作，使凸轮及外环卡死，实现锁闭，则门页在护指胶条的反弹下打开，带动丝杆反向转动直至滚柱到达锁闭位置。鉴于该现象出现在气温较低时，检修人员尝试用热风枪对制动器进行加热，发现加热5min左右再手动开关门动作若干次后，门页反弹现象消失，关闭状态良好，由此推测制动器内润滑脂在低温下粘度变大，导致滚柱动作不良。对故障件内提取的润滑脂进行检测后发现润滑脂经过低温工作后已有发黄、变硬的趋势，其粘度已发生变化。润滑脂变质后，严重影响了预紧弹簧的回复动作，使滚柱无法及时到达锁闭位置。将原来的C牌轴承润滑脂更换为具有更好的温度粘度特性的D牌润滑脂后，该故障消失。通过对2种润滑脂的参数进行对比（表1），可以发现新润滑脂的工作锥入度［3］、低温启动扭矩等参数更优。
2.3 制动器瞬时制动失效问题
5号线在正线运营过程中多次出现制动器突然失效，导致车门打开一定缝隙，列车控制系统报出“车门未经许可离开关闭位置”严重故障，若缝隙较大，使2个门关到位开关动作，则会造成列车紧急制动。该故障主要原因是制动芯内锁闭机构突然失效，既滚柱离开锁闭位置导致。出现该故障的车门在手动关门时均存在不同程度的反弹，我们对故障制动器进行拆检分析，主要有以下几个原因。
2.3.1 凸轮面摩擦区域磨损严重
检查丝杆连接轴凸轮，发现与滚柱摩擦的区域磨损严重，如图5所示。
测量凸轮面摩擦区宽度，无故障制动器凸轮面摩擦区（光亮带）约0.5 mm，故障件凸轮面摩擦区约1.5 mm。检查故障制动器外环发现椭圆度超标，设计公差范围为0.009～0.025 m m，实测公差已经达到0.05 mm。由于凸轮面磨损严重或外环椭圆度误差较大时，滚柱在当前制动位无法将凸轮及外环楔紧卡死，丝杆连接轴就会逆时针旋转一定的角度至下一对制动点进行制动，此时门会打开一定的距离，导致触发门关到位检测开关报出故障。
2.3.2 预紧弹簧卡滞
制动器的预紧弹簧与销装配在凸轮侧面的安装孔中。检查故障件，发现安装孔表面加工精度不高，较为粗糙，预紧弹簧受压后连同销一起缩入孔内时容易卡滞（图6）。预紧弹簧若卡滞，则无法使滚柱在车门关闭到位瞬间到达锁闭位，即使车门处于关到位，但列车在运行过程中的振动，会导致没有完全锁闭到位的滚柱松开，导致车门打开故障。而5号线列车制动器润滑脂存在问题则使预紧弹簧润滑不良，更加剧了预紧弹簧的动作卡滞。
2.3.3 预紧弹簧回复力不足
预紧弹簧的复位力直接影响锁闭效果，弹簧的复位力过大，则可能会出现锁闭过于可靠而无法解锁现象；复位力过小，则会出现因其他原因导致的机械阻力增加时，弹簧无法正常复位。经过检查，弹簧长10 mm，直径为3 mm，有效圈数6圈，弹簧直径较小，长度和压力存在一定的偏差，对锁闭带来一定的影响。
3 结论
从5号线列车的运营情况及故障来看，35C制动器虽然有可全程锁闭及单向自锁等优点，但其结构复杂，对轴承、凸轮、滚柱、外环等关键部件的尺寸精度及材质要求较高。此外，由于该制动器设计为免维护，难以更换润滑脂，对润滑的要求非常高，特别是润滑脂的温度性能必须要稳定。在加工精度及部件质量能够保证的前提下，该型制动器是比较可靠稳定的。
参考文献
[1] 南车四方机车车辆股份有限公司. 广州地铁五号线车辆大修手册[G].2006.
[2] 南车四方机车车辆股份有限公司. 广州地铁五号线车辆说明书[G］. 2009.
[3] GB/T269-91润滑脂和石油脂锥入度测定法[S］.
京公网安备 11010202007575号