和諧型機(jī)（動(dòng)）車制動(dòng)夾鉗鎖定彈簧斷裂機(jī)理與防治

劉玉龍，劉曉霞，涂曉劍

（1. 中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 車輛部，甘肅 蘭州 730000；2. 中國鐵路南昌局集團(tuán)有限公司 車輛部，江西 南昌 330002）

0 引言

和諧型機(jī)（動(dòng)）車裝用2種結(jié)構(gòu)不同的制動(dòng)夾鉗，分別為克諾爾車輛設(shè)備（蘇州）有限公司（簡稱克諾爾公司）和青島四方法維萊軌道制動(dòng)有限公司生產(chǎn)（動(dòng)車全部為克諾爾公司生產(chǎn)）?？酥Z爾公司生產(chǎn)的制動(dòng)夾鉗鎖定塊采用卡簧結(jié)構(gòu)。2017年5月，HXD1C0731機(jī)車發(fā)生了卡簧斷裂、閘片脫落現(xiàn)象，直接威脅行車安全。針對(duì)該現(xiàn)象，重點(diǎn)從斷裂卡簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力情況、宏觀斷口、組裝工藝、技術(shù)驗(yàn)證等方面進(jìn)行調(diào)查研究。

1 斷裂機(jī)理

克諾爾公司生產(chǎn)的制動(dòng)夾鉗卡簧類似于U形結(jié)構(gòu)（見圖1），采用Φ5 mm特種不銹鋼絲制作，一端為約7 mm直角彎頭作為止擋，另一端為平口切割。

卡簧作用原理為：一端連接在鎖定塊中部圓孔內(nèi)，另一端通過壓縮插入閘片托孔（見圖2）。鎖定塊一端通過彈性銷與閘片托相連，另一端通過弧形掛鉤與卡簧相連，從而使鎖定塊插入閘片托內(nèi)側(cè)的凸臺(tái)從后部托住閘片，實(shí)現(xiàn)閘片垂向定位。

圖1 卡簧結(jié)構(gòu)

圖2 卡簧組裝結(jié)構(gòu)

鎖定塊與卡簧組裝后限制了鎖定塊的活動(dòng)，保持閘片的良好定位，使閘片不發(fā)生脫落。因此，卡簧結(jié)構(gòu)雖簡單，但作用較大。

分析制動(dòng)夾鉗卡簧的斷裂機(jī)理，應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并結(jié)合案例，從受力情況、宏觀斷口、組裝工藝、技術(shù)驗(yàn)證等方面入手。

1.1 受力情況[1-2]

卡簧兩股（同一平面）間設(shè)計(jì)制造時(shí)采用了偏斜角結(jié)構(gòu)，組裝后形成彈力，作用于閘片托孔內(nèi)壁；同時(shí)在卡簧內(nèi)側(cè)彎曲部和閘片托孔結(jié)合部產(chǎn)生彎曲和剪切應(yīng)力。上述應(yīng)力屬于靜態(tài)應(yīng)力，如果沒有其他外力作用，對(duì)卡簧幾乎沒有破壞性。

更換閘片時(shí)由于工裝（撬棍或螺絲刀）插入卡簧一側(cè)撬出鎖定塊，在卡簧與鎖定塊下緣產(chǎn)生彎曲和剪切應(yīng)力。這種應(yīng)力雖是外力作用，但相對(duì)較小且更換閘片周期較長（一般在C5修前沒有整體更換），對(duì)卡簧的影響微乎其微，同時(shí)這個(gè)外力的作用不在斷口部位，可以忽略不計(jì)。

一般情況，制動(dòng)夾鉗所屬部件在機(jī)（動(dòng)）車緩解狀態(tài)下，只承受自重作用和來自輪軌振動(dòng)的垂向沖擊；在機(jī)（動(dòng)）車制動(dòng)工況下，還有來自閘片與制動(dòng)盤的橫向壓力和摩擦振動(dòng)。機(jī)（動(dòng)）車制動(dòng)條件下的作用力被制動(dòng)夾鉗各銷、座、閘片托承載，鎖定塊及卡簧不受外力作用，但鎖定塊凸臺(tái)直接與閘片下端面接觸，閘片振動(dòng)時(shí)可通過鎖定塊直接將振動(dòng)傳遞給卡簧。因此，卡簧除承受靜態(tài)應(yīng)力外（內(nèi)側(cè)彎曲部和閘片托孔結(jié)合部應(yīng)力相對(duì)集中），還要承受來自輪軌和制動(dòng)工況下的振動(dòng)作用。

通過對(duì)HXD1型機(jī)車振動(dòng)噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，HXD1型機(jī)車噪聲與機(jī)車振動(dòng)有直接關(guān)系，在輪對(duì)狀態(tài)較好時(shí)，司機(jī)室噪聲滿足要求[3]。機(jī)（動(dòng)）車振動(dòng)主要來源于車輪非正常磨損失圓在踏面形成的多邊形振動(dòng)。機(jī)車車輪失圓經(jīng)鏇修后大多呈17～22邊形特征（不落輪車床鏇修后導(dǎo)致的結(jié)果）。以機(jī)車輪徑1 200 mm、運(yùn)行速度65～75 km/h、車輪呈18邊形為例，計(jì)算車輪振動(dòng)頻率為86.3～99.5 Hz，添乘驗(yàn)證可知，這一頻率范圍內(nèi)司機(jī)室振動(dòng)噪聲十分明顯，對(duì)機(jī)車走行部部件的危害極大。

近年來，HXD1型機(jī)車在中衛(wèi)—太原（榆次）間運(yùn)用時(shí)多發(fā)車輪失圓且形成多邊形的現(xiàn)象（其余區(qū)段相對(duì)較輕），機(jī)車走行部部件斷裂比較嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為砂管支架、掃石器支架、感應(yīng)器支架、腳梯、沙箱等部件出現(xiàn)裂紋或斷裂。這些部件存在共同的特征：一是幾乎不存在外力作用；二是存在內(nèi)應(yīng)力（緊固、焊接）；三是單側(cè)懸空裝配。因此，振動(dòng)會(huì)造成機(jī)車走行部一些裝配特殊、存在內(nèi)應(yīng)力部件的斷裂。制動(dòng)夾鉗卡簧的特征與上述部件相似，因此可推測卡簧斷裂是振動(dòng)導(dǎo)致的結(jié)果。按照上述結(jié)論，該機(jī)車每一個(gè)卡簧都存在斷裂的可能性，但其他卡簧并沒有發(fā)生斷裂，其中必有特殊原因。

1.2 宏觀斷口

卡簧斷裂位置為位于閘片托一側(cè)插入閘片托孔的結(jié)合部（見圖3），是應(yīng)力相對(duì)集中的部位。其宏觀斷口存在3個(gè)明顯特征區(qū)域（見圖4）：疲勞區(qū)位于卡簧內(nèi)側(cè)圓弧與閘片托孔結(jié)合部，紋路細(xì)密且光亮（彎曲部內(nèi)側(cè)約1/6斷口）；擴(kuò)展區(qū)存在典型貝殼紋，且紋路逐步擴(kuò)大（斷面中部約3/6斷口）；脆斷區(qū)斷面粗糙呈撕裂狀，無疲勞貝殼紋（彎曲部外側(cè)約2/6斷口）。根據(jù)宏觀斷口分析，完全符合疲勞斷裂特征，可以定性為是疲勞斷裂。

圖3 卡簧裂斷位置

圖4 卡簧宏觀斷口

通過觸感和目測進(jìn)一步觀察斷裂的卡簧，疲勞源處（內(nèi)側(cè)圓弧部與閘片托孔結(jié)合部）觸感表面存在毛刺，目視觀察毛刺處存在硬傷。同時(shí)閘片托孔與卡簧圓弧部對(duì)應(yīng)位置存在明顯沖擊傷損（見圖3），檢查拆卸的2臺(tái)HXD1D型機(jī)車制動(dòng)夾鉗卡簧同一位置，無毛刺、碰傷、起臺(tái)等缺陷。顯而易見，這種硬傷非機(jī)車運(yùn)用過程中磨損形成，是一種非正常外力沖擊導(dǎo)致的結(jié)果。

1.3 組裝工藝

廠商《制動(dòng)夾鉗單元組裝作業(yè)指導(dǎo)書》規(guī)定[4]：閘片托上專用工裝固定，將鎖定彈簧穿入鎖定塊的Φ5.6 mm孔，直到R2.0 mm折彎處；鎖定彈簧另一端穿入閘片托Φ5.2 mm孔中，同時(shí)將鎖定塊卡入閘片托寬11槽中；鎖定塊繞鎖定簧轉(zhuǎn)動(dòng)，鎖定塊另一端也卡入閘片托寬11槽中；用導(dǎo)引銷工裝穿過閘片托孔和鎖定塊Φ10.0 mm孔。注意：圓柱彈性銷的開口方向按照?qǐng)D紙所示，開口正對(duì)閘片托外側(cè)端面；用橡膠錘將鎖定塊砸入閘片托槽中到位，完成閘片托組裝。

通過測量試驗(yàn)得知：若卡簧組裝后彎角一側(cè)與鎖定塊密貼，此時(shí)卡簧平頭部位插入閘片托上部孔深約4.5 mm，這種狀態(tài)應(yīng)該是最佳狀態(tài)（壓感驗(yàn)證應(yīng)力相對(duì)較小）。

檢查庫存的12件制動(dòng)夾鉗新造備品，卡簧上部折彎處與鎖定塊間都存在3～6 mm間隙；檢查多臺(tái)機(jī)車制動(dòng)夾鉗卡簧裝車后彎頭位置，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)卡簧上部彎頭處間隙與備品類似，只有個(gè)別與鎖定塊接觸。為分析裝配后的卡簧長短不齊的因素，再次進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證：推入鎖定塊前，先將卡簧彎頭部位撬壓至與鎖定塊接觸，推入鎖定塊后出現(xiàn)3 mm左右的間隙（彈力作用的結(jié)果）；推入鎖定塊前，將卡簧彎頭部位撬拉至與鎖定塊最大間隙，所用推力很大、間隙略有縮小。驗(yàn)證表明：這種大小不等的間隙由推入鎖定塊前卡簧的起始位置決定，彎頭部位間隙越大，內(nèi)應(yīng)力也就越大。這個(gè)環(huán)節(jié)作業(yè)者不可能錘擊卡簧下部調(diào)整彎頭間隙，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)圓弧部損傷；裝車的制動(dòng)夾鉗個(gè)別彎頭部位與鎖定塊接觸，經(jīng)了解是綁扎鐵絲時(shí)人工所為，即使敲擊彎頭上部也不可能造成卡簧內(nèi)側(cè)圓弧部損傷。

為進(jìn)一步查明卡簧內(nèi)側(cè)圓弧部傷損原因，對(duì)C5修現(xiàn)場待裝的1個(gè)制動(dòng)夾鉗進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)其中一側(cè)卡簧下部與作業(yè)平臺(tái)接觸（見圖5）。這就發(fā)現(xiàn)了卡簧內(nèi)側(cè)圓弧部碰傷的原因?；Q備品放置在一側(cè)懸空的臺(tái)案上，卡簧處于懸空狀態(tài)不會(huì)與臺(tái)案發(fā)生接觸，這一問題難以發(fā)現(xiàn)；現(xiàn)場裝車時(shí)制動(dòng)夾鉗采用天車運(yùn)輸，起落力度難以完全掌控，只要發(fā)生下落過猛（卡簧為承力點(diǎn)），就會(huì)造成卡簧內(nèi)側(cè)圓弧部的碰傷，導(dǎo)致早期失效。失效程度由天車下落速度和作業(yè)平臺(tái)的剛度決定。

卡簧一旦發(fā)生傷損就會(huì)造成承力橫截面積減小，應(yīng)力更加集中，在振動(dòng)作用下傷損處形成疲勞源，加速卡簧的疲勞斷裂。

通過以上檢查、驗(yàn)證和分析，說明作業(yè)指導(dǎo)書中對(duì)卡簧的組裝存在漏洞。雖然對(duì)部件組裝順序、初裝位置進(jìn)行了說明，但對(duì)推入鎖定塊前卡簧的位置沒有明示，隨意性較大；對(duì)卡簧插入閘片托孔過深會(huì)造成較大應(yīng)力，容易使卡簧失效預(yù)見性不足；制動(dòng)夾鉗備品懸空放置雖有預(yù)見，但對(duì)現(xiàn)場吊運(yùn)放置在平臺(tái)沒有明確警示，也沒有要求制作專用工裝，容易造成卡簧著地磕碰，導(dǎo)致早期失效。

1.4 技術(shù)驗(yàn)證

圖5 卡簧下部與作業(yè)平臺(tái)接觸

克諾爾公司用于和諧型機(jī)（動(dòng)）車的制動(dòng)夾鉗投用以來，卡簧斷裂問題屬于偶發(fā)；如果存在結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和材質(zhì)問題，機(jī)（動(dòng)）車運(yùn)用至一定里程必然會(huì)發(fā)生疲勞問題，裂紋或斷裂可能大面積爆發(fā)。為考察其可靠性，對(duì)進(jìn)入C5修（約走行120萬km）解體的2臺(tái)HXD1D型機(jī)車的48個(gè)制動(dòng)夾鉗卡簧進(jìn)行了著色探傷和觸感檢查。結(jié)果表明：被檢的卡簧沒有發(fā)現(xiàn)任何形式的裂紋；觸感表面光滑，沒有任何缺陷。

1.5 結(jié)論

通過以上調(diào)研分析可得出：這次和諧型機(jī)車制動(dòng)夾鉗卡簧斷裂，是制造組裝或裝車吊運(yùn)過程中卡簧與作業(yè)平臺(tái)發(fā)生了磕碰，導(dǎo)致卡簧內(nèi)表面過渡圓弧部與閘片托孔邊緣撞擊產(chǎn)生傷損，造成早期失效；傷損部位形成裂紋源，在高頻振動(dòng)作用下逐步擴(kuò)展，直至疲勞斷裂。

傷損的卡簧在一定時(shí)期內(nèi)是否發(fā)生斷裂，取決于卡簧內(nèi)側(cè)彎曲部與閘片托結(jié)合部的傷損程度。

2 防治措施

制動(dòng)夾鉗卡簧一旦發(fā)生斷裂，將直接導(dǎo)致閘片失控脫落，脫落的閘片在機(jī)（動(dòng)）車高速運(yùn)行條件下，掉入道床或人員密集處所，不僅使車輪本身失去制動(dòng)力，還將直接威脅行車和人身安全。因此，采取切實(shí)可行的防治措施對(duì)于防范機(jī)（動(dòng)）車閘片脫落、確保行車安全意義重大。

2.1 壓感檢查

對(duì)在役裝有克諾爾公司制動(dòng)夾鉗卡簧結(jié)構(gòu)的機(jī)（動(dòng)）車，采用壓感檢查的方法進(jìn)行普查，主要普查：卡簧表面是否存在毛刺、碰傷、起臺(tái)等缺陷；卡簧彈力。具體操作方法如下：

（1）對(duì)上部彎頭存在間隙的卡簧用小型螺絲刀插入下部彎曲處，輕輕下壓，感覺卡簧彈力；然后用手指觸摸（不得戴手套）鎖定塊以下裸露部分（尤其是閘片托孔一側(cè)的彎曲部）。

（2）對(duì)上部彎頭沒有間隙的卡簧用掌心上推卡簧下部，感覺卡簧彈力；然后用手指觸摸（不得戴手套）鎖定塊以下裸露部分（尤其是閘片托孔一側(cè)的彎曲部）。

檢查后一旦發(fā)現(xiàn)卡簧表面存在碰傷、起臺(tái)、毛刺等缺陷或彈力失效，立即扣修，更換制動(dòng)夾鉗。

2.2 防脫捆綁

卡簧一旦斷裂，鎖定塊必然脫鉤；卡簧若失去彈力也有可能導(dǎo)致鎖定塊脫鉤，采用防脫捆綁作為二道防線是必要的。重點(diǎn)是綁扎方法要得當(dāng)，首先要找準(zhǔn)點(diǎn)位（鎖定塊卡簧一側(cè)最短路徑）；其次是鋼絲（鐵絲）一定要擰（拉）緊，目的是防止鎖定塊與卡簧脫鉤，限制鎖定塊外移。目前機(jī)（動(dòng)）車對(duì)制動(dòng)夾鉗鎖定塊都采用了防脫捆綁。機(jī)車采用鐵絲擰緊捆綁方式；動(dòng)車采用鋼絲鎖扣捆綁方式（見圖6）。從上述2種捆綁方式來看：動(dòng)車采用的方式相對(duì)可靠，推薦采用動(dòng)車鋼絲鎖扣捆綁方式。

2.3 源頭治理

（1）改造閘片托下部卡簧裝入孔結(jié)構(gòu)。首先對(duì)閘片托卡簧下部裝入孔進(jìn)行倒角處理，倒角弧度應(yīng)與卡簧彎曲部弧度匹配，避免發(fā)生磕碰時(shí)對(duì)卡簧造成較大損傷；徹底解決的方式是改造閘片托鑄造模具，將內(nèi)側(cè)支撐點(diǎn)移至閘片托孔外側(cè)，從結(jié)構(gòu)上保證制動(dòng)夾鉗在作業(yè)平臺(tái)不發(fā)生傾斜且卡簧不與作業(yè)平臺(tái)接觸而發(fā)生碰傷。

圖6 防脫捆綁方式

（2）完善質(zhì)量保證體系。對(duì)卡簧的組裝工藝標(biāo)準(zhǔn)、裝車后上部彎頭的限度要求、是否發(fā)生碰傷等項(xiàng)點(diǎn)要嚴(yán)格檢查驗(yàn)收，確保裝車后卡簧內(nèi)側(cè)彎曲部不得與閘片托孔發(fā)生碰傷或接觸，從源頭上卡控存在碰傷問題的卡簧裝車運(yùn)用[5-6]。

（3）完善組裝工藝標(biāo)準(zhǔn)及各環(huán)節(jié)檢查方法。明確制造、裝車、日常作業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)的工藝標(biāo)準(zhǔn)（尤其是裝車時(shí)的工裝機(jī)具）、檢查方法；明確卡簧安裝到位的限度要求；警示運(yùn)輸、裝車過程中的注意事項(xiàng)等。制成作業(yè)指導(dǎo)書，發(fā)放至各作業(yè)環(huán)節(jié)，規(guī)范作業(yè)行為[5-6]。

3 結(jié)束語

針對(duì)和諧型機(jī)車制動(dòng)夾鉗卡簧斷裂問題展開調(diào)查，旨在研究機(jī)（動(dòng)）車制動(dòng)夾鉗卡簧斷裂機(jī)理；客觀分析機(jī)（動(dòng)）車制動(dòng)夾鉗卡簧斷裂是否存在傾向性問題，并提出防治措施，對(duì)機(jī)（動(dòng)）車防范類似問題提供借鑒，同時(shí)對(duì)進(jìn)一步提高制動(dòng)夾鉗的質(zhì)量和可靠性有一定的促進(jìn)作用。