踏面制動單元手動緩解裝置的失效分析及改進

劉 磊 王龍泉 孫 博 鄭俊琦

（中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲412001）

0 引言

踏面制動單元是制動系統(tǒng)的重要組成部分，對于軌道交通車輛的安全運行起著至關重要的作用。在車輛正常運行過程中，踏面制動單元通過風源系統(tǒng)供給的壓力空氣完成常用制動、緩解作用。而在車輛停車或者斷電、斷風的情況下，踏面制動單元通過自身的彈簧機構完成停放制動作用，并通過手動緩解裝置完成停放制動的緩解。手動緩解裝置的失效會直接影響車輛在停車或者斷電檢修后的正常運行啟動。

本文將在充分分析的基礎上，進行踏面制動單元手動緩解裝置的結構優(yōu)化，以有效解決手動緩解裝置的失效問題。

1 踏面制動單元手動緩解裝置的工作原理說明

手動緩解裝置是踏面制動單元的重要組成部件之一，裝配于踏面制動單元的停放缸側面，實現(xiàn)停放制動的保持和緩解作用。手動緩解裝置主要由拉環(huán)、棘輪銷安裝座、皮碗、墊片、彈簧、安裝墊塊、螺栓等部件組成，如圖1所示。拉環(huán)的設置方便了手動緩解操作；棘輪銷主要作用于停放缸內部機構，直接實現(xiàn)停放制動的保持和緩解；彈簧主要用于機構的復位和緩沖；皮碗、O型密封圈起到密封防塵的作用；安裝墊塊是整個機構裝配的基座；螺栓用于手緩解裝置在停放缸上的緊固；鋼絲擋圈主要用于彈簧結構的鎖緊和防脫出。

圖1 手緩解裝置示意圖

1.1 停放制動的施加

踏面制動單元的停放缸部分如圖2所示，主要組成部件為停放缸體、停放絲桿、中間體、彈簧、手動緩解裝置、蓄能活塞等。

圖2 踏面制動單元停放制動缸示意圖

在車輛正常運行時，停放缸體通過中間體上的進氣孔充滿壓縮空氣，作用在蓄能活塞上，將主、次壓縮彈簧向上壓縮，同時帶動停放絲桿向上運動，此時停放制動沒有作用，處于緩解狀態(tài)。

將停放缸內的壓縮空氣排空后，主、次壓縮彈簧開始釋放彈簧力，通過蓄能活塞帶動停放絲桿向下運動。而停放絲桿向下的壓力會最終作用在閘片上，從而施加停放制動作用。

1.2 停放制動的保持

如1.1所述，在排空停放缸內壓縮空氣的同時，彈簧力向下帶動停放絲桿產生停放制動作用。與此同時，主、次壓縮彈簧釋放彈簧力會使棘輪產生旋轉動作，該旋轉動作會作用在停放絲桿上使得停放絲桿向上運動，從而消除停放絲桿的停放制動作用，此時就需要停放制動的保持機構。

踏面制動單元的手動緩解裝置就是這樣一個保持機構，其處于自然狀態(tài)時，棘輪銷安裝座與棘輪銷在彈簧壓力的作用下伸出，作用于上述棘輪上，從而限制棘輪的旋轉動作，使得停放制動作用得以保持。

1.3 停放制動的緩解

如1.2所述，停放制動保持時，手動緩解裝置的棘輪銷作用于棘輪上，限制了棘輪的動作，從而為停放缸儲存了彈簧力，實現(xiàn)了車輛的停放制動功能。

當需要對停放制動進行緩解時，只要拉動手動緩解裝置的拉環(huán)，使得棘輪銷向外收回，失去對于棘輪的限位作用。此時棘輪將快速旋轉，帶動停放絲桿向上運動，壓力失效，主、次壓縮彈簧的力被釋放，停放制動緩解。

2 手動緩解裝置的失效分析

通過工作原理分析可以發(fā)現(xiàn)，手動緩解裝置的失效主要體現(xiàn)在兩個方面：停放制動不能保持和停放制動不能緩解。結合手動緩解裝置在實際運用中出現(xiàn)的失效案例與手動緩解裝置的作用原理，并通過不斷試驗驗證，對其主要失效原因分析總結如下：

2.1 棘輪銷磨損

在向踏面制動單元停放制動缸充風時，蓄能活塞向上運動帶動停放絲桿向上運動，此時與停放絲桿配合的棘輪會產生旋轉動作。棘輪具有單向性，此時的旋轉方向不能被棘輪銷限制，旋轉過程中棘輪的齒會不斷對棘輪銷產生撞擊、磨損。在停放制動施加時，棘輪銷要限制棘輪的旋轉動作，但在與棘輪接觸的瞬間仍然會受到棘輪巨大的沖擊力。此外，在進行手動緩解停放制動時，若手緩解裝置向外扯出的程度和時間不夠，快速旋轉的棘輪仍然會與棘輪銷產生接觸，從而磨損和切削棘輪頭部。

隨著停放制動功能不斷使用，上述由棘輪對棘輪銷產生的撞擊、磨損會使棘輪銷頭部逐漸變形、變短，最終的結果是棘輪銷無法對棘輪進行有效限位，從而導致停放制動無法保持。

2.2 彈簧失效

手動緩解裝置中的彈簧起著始終保持棘輪銷向里伸出的作用。其中，小彈簧還能夠緩沖停放缸充風時棘輪對棘輪銷的沖擊力。

在運用中若彈簧失效，棘輪銷和棘輪桿墊失去了保持力，在棘輪盤的撞擊下會不斷向外移動，直至棘輪銷完全無法對棘輪進行有效限位，此時的后果也是停放制動無法保持。

2.3 密封作用失效

密封作用失效即手緩解裝置中的皮碗和O型圈破損或者變形，無法使停放缸內形成有效密封腔。此時向停放缸充風，因存在泄漏，主、次壓縮彈簧無法被完全壓縮，壓縮量小，被存儲的彈簧力也較小。再次排風時，彈簧產生的制動力則比正常停放制動時的制動力小很多，停放制動不能完全施加。

除了皮碗和O型圈破損、變形外，棘輪銷安裝座與皮碗配合面的表面粗糙度也會引起密封作用失效。

2.4 鋼絲擋圈脫出

手動緩解裝置的鋼絲擋圈主要通過墊片限制棘輪銷朝停放缸內部的自由度，使得其與棘輪銷安裝座有效連接，從而可以通過拉動拉環(huán)使棘輪銷安裝座帶動棘輪銷向外運動，達到停放制動緩解的目的。

鋼絲擋圈脫出后，棘輪銷從棘輪銷安裝座中脫出，無法完成伸縮動作，便會導致停放制動無法緩解的故障。

3 改進措施

根據(jù)實際運用信息以及現(xiàn)場多次的疲勞試驗驗證，上述引起手動緩解裝置失效的原因中，棘輪銷磨損和鋼絲擋圈脫出是發(fā)生頻次最多的，其他情形極少發(fā)生或從未出現(xiàn)過。

針對發(fā)生頻次最多的失效原因，提出并驗證實施了如下改進措施：

（1）棘輪銷磨損的改進。結合棘輪銷磨損的發(fā)生機理，對故障棘輪銷進行了表面硬度檢測，檢測結果均在42～47 HRC。在綜合考慮技術條件和充分進行疲勞試驗驗證后，將棘輪銷表面硬度要求提升20%。

此外，為了避免因手動緩解時操作不當導致的棘輪銷磨損，制定了專門的手動緩解操作規(guī)范并隨產品交出。

（2）鋼絲擋圈脫出的改進。手緩解裝置中的鋼絲擋圈安裝在棘輪銷上的溝槽內，且與墊片接觸。隨著手緩解裝置的運用，鋼絲擋圈不斷受到墊片的擠壓，會慢慢變形、脫出。在確保墊片作用的基礎上，對墊片的結構進行優(yōu)化，如圖3所示，使得與鋼絲擋圈接觸面在內外兩側均形成溝槽，從而將鋼絲擋圈限位，極大地降低甚至消除了其脫出的可能性。

圖3 墊片結構改進示意圖

（3）此外，對于極少出現(xiàn)的因棘輪銷安裝座表面粗糙度不良引起的密封性失效，改進了技術要求，將棘輪銷安裝座的表面粗糙度等級提升一級。

4 結語

踏面制動單元手動緩解裝置的失效分析有助于深入了解產品結構和原理，可以有效預判故障原因。同時，基于失效分析對棘輪銷、墊片等零部件進行一定的優(yōu)化改進，能夠使手動緩解裝置更加穩(wěn)定可靠，從而確保車輛運行安全。

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