CRH5型动车组司机控制器LC手柄结构分析及改进

曹俊飞

（西安开天铁路电气股份有限公司，西安 710065）

CRH5型动车组司机控制器是司机操纵动车组运行的主要控制器件，具备调整动车组牵引制动工况、改变动车组运行方向以及设定机车运行速度等功能。CRH5型动车组司机控制器由速动开关、数字编码器、模拟编码器、控制手柄（LC手柄、方向手柄LINV和速度设定手柄LV）、凸轮组件及缓速器等部件构成，如图1所示。编码器实现平滑车辆加速和制动，再结合控制手柄，实现速动开关闭合，确保CRH5型司机控制器具有高安全性和可靠性，齿轮传动设计确保产品具有较长寿命，其中数字编码器（绝对值0～511）主要为动车组提供牵引信号，模拟编码器（模拟量4～20mA）主要为动车组提供制动信号。

图1 CRH5型动车司机控制器基本结构

1 CRH5动车组司机控制器及LC手柄介绍

1.1 LC手柄档位介绍

CRH5型动车组司机控制器LC手柄具有最大牵引位（T）、最小牵引位（MTQ）、0位（0）、电制动位（B）、电空制动（FSB）和紧急制动位（EB）6个机械档位，档位信息是通过LC凸轮组件部分速动开关编码信息显示，LC手柄转动后，手柄组件上齿轮驱动凸轮组件转动，凸轮动作带动11个速动开关动作，速动开关闭合状态用于反映LC手柄档位状态信息。机械联锁是指LC手柄离开紧急制动位（EB）及离开0位（0）向牵引位（T）方向动作被机械锁定，只能通过下压推动进行解除锁定，LC手柄在其他档位及档位切换动作没有机械锁定。LC手柄在紧急制动位和0位锁定，主要是通过LC手柄手柄上的定位轮组件和限位板上凹槽配合实现。

1.2 LC手柄限位螺钉受力及断裂原因分析

使用过程，LC手柄使用非常频繁，且LC手柄在离开紧急制动位和0位时需要进行解锁操作。进行手柄下压解锁时，LC手柄沿限位螺钉M3×8向下运动，LC手柄会产生一个剪切力FA施加给限位螺钉M3×8上；LC手柄在离开紧急制动位和0需要进行解锁，若手柄上定位组件没有完全脱离限位板，直接推动LC手柄，LC手柄会发生转动（LC手柄以限位轮和凹槽的接触处为中心点转动），此时LC手柄会产生一个剪切力FB，如图3所示。在这两种剪切力影响下，经过一定疲劳期后，限位螺钉M3×8就会出现断裂，该螺钉断裂后导致LC手柄解锁功能失效。

图2 限位螺钉受力分析图

1.3 LC手柄限位螺钉强度校核

CRH5司机控制器手柄运动过程中，LC手柄在进行解锁操作时下压力一般在10N左右，因此对限位螺钉剪切力影响很小，故本文不做分析；若手柄在没有完全下压状态时，用力F1顺时针强行推动，定位组件与限位板之间会产生一定作用力，此作用力通过LC手柄直接传递给限位螺钉一个剪切力。实际操纵过程中，推力往往会超过49N，各力值取F1=49N、F2=40N、F3=20N， 当 ∑ M=0时 ；可 得 F1×L1-F2×L2=0； 故F2=165N；此时LC手柄将F2的剪切力完全传递给限位螺钉M3×8，因此限位螺钉受到的剪应力τ=F2/A1=32.75MPa,其中M3螺钉的应力面积A1=5.03mm2。

限位螺钉许用剪切力[τ]=σs/S；考虑到应力集中，安全系数S取值20，σs为0.6～0.8σb，σb为材料的抗拉强度，取值700MPa，性能等级为A2-70；σs取0.7倍抗拉强度，即490MPa；可得限位螺钉许用剪切力[τ]为24.5MPa。

根据校核计算得知，M3螺钉受到剪应力大于许用剪应力。因此经过一定疲劳期后，螺钉会出现断裂风险。

2 CRH5动车组司机控制器LC手柄结构改进

2.1 LC手柄限位螺钉强度提升

由于目前CRH5动车组司机控制器的LC手柄上限位螺钉采用M3×8的不锈钢螺钉，其性能等级为A2-70，在使用过程中会出现螺钉断裂风险。若将不锈钢螺钉改用为其他性能等级的钢螺钉，对其各项指标进行分析，结果如表1所示。限位螺钉选用12.9级以上钢螺钉时，基本满足剪切力要求，但在实际司机操纵过程中，司机控制器LC手柄推力会大于49N，因此单从螺钉等级提升角度考虑，并不能完全解决限位螺钉M3×8的断裂问题。

表1 不同等级M3螺钉参数内容

2.2 LC手柄杆和限位板改进

在LC手柄杆和与齿轮连接处增加一个铜垫圈，如图3所示。LC手柄改进后，手柄杆向下的限位就由原来的限位螺钉和LC手柄限位槽方式限位，转换为手柄杆下表面与垫圈上表面配合限位。这样手柄杆下压就不会对限位螺钉产生剪切力。

2.3 定位组件改进

将原定位组件中滚轮轴和轴承组合结构改为滚子轴承加侧滚轮结构，在原轴承两端增加不锈钢侧滚轮。带槽滚轮与限位板配合，当LC手柄杆发生小角度转动时，只允许手柄杆转动带槽滚轮与限位板之间间隙，这样带槽滚轮就能将原来施加在螺钉上绝大部分剪力转移至限位板上面，有效降低了对限位螺钉M3×8的损伤量。

图3 LC手柄改进前后图示

3 结语

改进后的LC手柄和原司机控制器LC手柄操纵方式完全一致，手柄正常工作时，带槽滚轮与限位板配合无卡滞，无异响，手柄上下活动灵活；改进后LC手柄经过验证，各项性能符合要求，可以推广使用。